Al_45钢高频感应钎焊工艺及界面组织结构

摘要： 采用扫描电镜 （SEM）、 电子探针 （EPMA）、 显微硬度及 X 射线衍射 （XRD） 等测试方法， 对 Al/45 钢氩气保护高频感应钎焊界
面附近的显微组织性能进行了试验研究。 试验结果表明， 结合面钎料润湿效果良好， 界面附近没有发现裂纹等微状， 钎缝中主要存在 Al0.7Fe3Si0.3， Al76.84Fe24， Al， Fe 等物相。 钎焊界面附近 没 有 生 成
率很大。 2．3 界面区的 X 射线衍射分析
对切割好的 Al/45 钢高频感应钎焊接头试样进行 X 射线衍射试验。 钎缝界面相组成的 X 射线衍射 （XRD） 结果如图 5 所示。
800
700
○
△Fe
600
■ ●
●Al ■Al0.7Fe3Si0.3
500
■△
○Al76.8Fe24
400
衍射强度 （CPS）
参考文献： ［1］ 高德金． 节能型铝钢复合结构阳极钢爪［J］． 世界有色金属， 2005，
21（10）： 17-20． ［2］ 于 先 进． 铝 冶 金 进 展 ［M］． 辽 宁 沈 阳 ： 东 北 大 学 出 版 社 ， 2001：
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现了一个成分含量相对稳定的平台。 在复合层与钢 基体的相接处， Al 含量又急剧下降， 直至 Al 含量降 为 0。 Fe 的分布情况和 Al 的分布情况相反。 说明Al 原 子 和 Fe 原 子 已 经 在 结 合 层 附 近 得 到 有 效 的 扩 散 ， 结合良好。 由此进一步证明在钢－Al 界面区形成了中 间 相 ， 化 合 物 相 宽 约 20 μm， 这 可 能 是 由 于 Fe－Al 室温时的溶解度很低， 浓度分布曲线斜线部分的斜
steel fibre-reinforced aluminum matrix composite ［J］． Journal of Materials Science， 1997， 32（3）： 719－725． ［6］ Suganuma K， Kawakami N． Novel processing of brazing of aluminum and austenitic stainless steel ［ J ］ ． Material Science and Technology ， 1993， 9（4）： 349－356． ［7］ 王义衡， 赵瑞湘． 铝及铝合金与其他金属的焊接［M］． 北京： 宇航 出版社， 1990．
·试验与研究· 5 层区域， 且在过渡层硬度达到最大。
2 试验结果及分析 2．1 界面区显微组织形貌及显微硬度
在 JSM－6700F 型扫描电镜下观察 Al/45 钢高频感 应钎焊试样接头， 有明显的过渡层出现， 如图 2a， b 所示， 且过渡区较为平整， 无焊接裂纹出现， 在铝侧 有大量等轴晶出现并沿过渡层向 Al 基延伸， 如图 2c 所示。 等轴晶区与基体金属紧密连接， 形成金属键的 冶金结合使得焊接强度大大提高。 焊接过渡区连接紧 密， 表面由许多凹孔构成， 又称微坑， 如图 2d 所示。 微坑中间是杂质或第二相质点， 第二相质点与基体材 料弹性和塑性的差别形成局部塑性区， 这对提高接头 力学性能十分有利。
（2） 由 Al ／ 45 钢钎焊接头区的显微硬度测定结果 可知， 从 Al 侧到 45 钢侧， 硬度呈先升后降的趋势。 钎缝过渡层两侧的硬度明显高于 Al 基体的硬度。
（3） X 射线衍射试验结果表明， 钎缝中的物相主 要 是 Al0．7Fe3Si0．3， Al76．84Fe24， Al 和 Fe 4 种 。 其 中 Al0．7Fe3Si0．3 固溶体和 Al 的存在使得接头具有一定的塑 性和韧性， 并使接头具有良好的耐蚀性， Al76．84Fe24 的 存在使钎缝硬度提高， 钎焊界面未生成明显的高硬度 脆性相。
收稿日期： 2008-12-30
不易焊接的异种材料有重要意义。
1 试验方法 试验材料基材为 45 钢和 w（Al）99．50％的 5A03工
业纯铝， 厚度均为 4 mm， 直径 35 mm。 焊料成分为 Al－Si 合金粉末、 氟化物及特种有机物。
首先将钢片和铝片打磨光滑， 清洗完毕， 然后将 焊料涂于钢、 铝之间压紧， 最后在 GP60－H11 型高频 感应加热设备中进行钎焊， 钎焊采用分段加热、 保 温。 加热及焊后冷却工艺参数如图 1 所示。
4 500
4 000
3 500
电 压 /kV
3 000
2 500 2 000
空冷
1 500 0
30 60 90 120 150 180 时 间 /s
图 1 Al/45 钢高频感应钎焊工艺参数
用扫描电镜观察了 Al ／ 45 钢高频感应钎焊接头的 显微组织形态， 利用显微硬度计测量了 Al ／ 45 钢接头 附近各区域的显微硬度， 通过电子探针和 X 射线衍 射仪判定界面过渡区的元素分布及相组成。
3 结论 （1） 采用高频感应钎焊和 Al－Si 钎料， 在高电压
2 000 kV， 4 000 kV， 4 500 kV 下 ， 分 别 保 温 60 s， 30 s， 30 s， 可 形 成 牢 固 的 Al ／ 45 钢 钎 焊 接 头 。 SEM 分析表明： 结合面钎料润湿效果良好， 界面未发现裂 纹等微观缺陷， 显微组织大多为等轴晶。
用电子探针对切割好的 Al ／ 45 钢接头试样作焊缝 区域线分析， 分析结果如图 4 所示。
（c）
（d）
图 2 Al ／ 45 钢钎焊区表面形貌
同时， 钎缝上出现白色枝晶， 如图 3a 所示。 经
EPMA－1600 型电子探针作点成分测定得知： 白色物质
中w（Al）46．493％， w（Fe）35．391％， 如图 3b 所示。 采
4 ·试验与研究· 文 章 编 号 ：1002－025X(2009)04-0004-03
焊接技术 第 38 卷第 4 期 2009 年 4 月
Al/45 钢 高 频 感 应 钎 焊 工 艺 及 界 面 组 织 结 构
寇生中1，2， 李望南1，2， 魏代刚 1，2， 刘广桥 1，2
（1.兰州理工大学 甘肃省有色金属新材料省部共建国家重点实验室， 甘肃 兰州 730050； 2.兰州理工大学 有色金属合金 及加工教育部重点实验室， 甘肃 兰州 730050）
将 Al 和 45 钢表面的氧化膜用砂纸打磨后再用丙 酮进行清洗。 试样装配按 Al、 钎料、 45 钢的顺序将
Welding Technology Vol．38 No．4 Apr． 2009
材料叠合在一起， 装配过程使三者之间紧密结合。 感 应 钎 焊 电 压 2 000 kV， 保 温 60 s 后 分 别 在 4 000 kV 和 4 500 kV 下保温 30 s， 随后空冷到 50 ℃以下取出。 对 Al ／ 45 钢试样进行切割、 打磨、 抛光和腐蚀， 本试 验所用腐蚀剂为王水。
（a）
（b）
（a）
（b）
图 3 Al ／ 45 钢钎焊界面附近白色枝晶成分分析
测量位置 钢侧
过渡层 Al 侧
表 1 Al ／ 45 钢钎焊界面附近的显微硬度
硬度 1/HV 237 294 411 228 74．2
硬度 2/HV 199 220 342 220 63．6
平 均 硬 度 /HV 218 257 376．5 224 68．9
现在通用的铝电解阳极钢爪由低碳铸钢铸造而成采用钢铝复合爆炸焊片过渡与铝导杆焊接组合成为阳极导电装置主要起传导电流和承载阳极碳块重力的作用以导电为主这种钢铝复合爆炸焊片在电解生产过程中局部电压降值较大电流损耗较大使得阳极电阻消耗过大产成本居高不下同时也造成大量能源的浪费3近年来把铝钢结构中钢的高热强性硬度及耐磨性与铝合金的低密度高热导性结合起来进行焊引起了国内外研究者的广泛关注46密度熔点热导率等物理性能相差很大这促使热应力的产生并且难熔的氧化膜会造成焊缝中存在夹杂物用传统的焊接工艺很难将它们复合在一起本文采用氩气保护下的高频感应钎焊工艺对al45钢进行焊接利用扫描电镜sem和显微硬度计分析了al45钢钎焊界面附近的微观组织结构及硬度分布利用电子探针和射线衍射分析仪xrd判定出钎缝过渡区的元素分布情况及相组成探讨了al45钢惰性气体保护下高频感应钎焊的可行提出了实现al与45钢钎焊的合理工艺参数al45钢的成功焊接对于深入研究用常规方法不易焊接的异种材料有重要意义试验方法试验材料基材为45wal995的5a3工mm直径35mm焊料成分为alsi合金粉末氟化物及特种有机物首先将钢片和铝片打磨光滑清洗完毕然后将焊料涂于钢铝之间压紧最后在gp60h型高频感应加热设备中进行钎焊钎焊采用分段加热所示用扫描电镜观察了al45钢高频感应钎焊接头的显微组织形态利用显微硬度计测量了al45钢接头附近各区域的显微硬度通过电子探针和射线衍射仪判定界面过渡区的元素分布及相组成将al和45钢表面的氧化膜用砂纸打磨后再用丙酮进行清洗试样装配按al45钢的顺序将al45钢高频感应钎焊工艺参数时间s151812weldingtechnologyvol38no4apr
明显的高硬度脆性相。
关键词： Al/45 钢； 高频感应； 钎焊； 显微组织； 显微硬度
中图分类号： TG454
文献标志码： B
目 前 ， 我 国 电 解 铝 生 产 所 用 的 电 能 50％以 上 被 铝电解槽和生产过程中的电场、 磁场和热场所消耗， 电解铝生产还有很大的节能潜力。 现在通用的铝电解 阳极钢爪由低碳铸钢铸造而成， 采用钢铝复合爆炸焊 片过渡与铝导杆焊接组合成为阳极导电装置， 主要起 传导电流和承载阳极碳块重力的作用， 以导电为主。 这种钢铝复合爆炸焊片在电解生产过程中局部电压降 值较大， 电流损耗较大， 使得阳极电阻消耗过大， 生 产成本居高不下， 同时也造成大量能源的浪费 。 ［1－3］
近年来， 把铝－钢结构中钢的高热强性、 硬度及 耐磨性与铝合金的低密度、 高热导性结合起来进行焊 接， 引起了国内外研究者的广泛关注 。 ［4－6］ 但铝、 钢的 密度、 熔点、 热导率等物理性能相差很大， 这促使热 应力的产生， 并且难熔的氧化膜会造成焊缝中存在夹 杂物［7］， 用传统的焊接工艺很难将它们复合在一起。
300 ●
200
100
○ ○○
0
●
■
○
■
●△
○
△
-100 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2θ/（°）
图 5 Al ／ 45 钢钎焊界面近 Al 侧 X 射线衍射图
由衍射图可知， Al/45 钢真空钎焊界面处主要存在 Al0．7Fe3Si0．3， Al76．84Fe24， Al 和 Fe。 Al0．7Fe3Si0．3 固 溶 体 和
用 XH－1000 型显微硬度计对 Al ／ 45 钢界面进行显微
硬度测定， 载荷为 0.25 N， 加载时间 5 s， 结果见表
1。 由 表 1 可 知 ， 从 45 钢 侧 到 Al 侧 硬 度 先 升 后 降 。
靠近过渡层处 Al 和 45 钢的硬度都明显高于远离过渡
（a）
6 ·试验与研究·
作者简介： 寇生中 （1962—）， 男， 毕业于甘肃工业大学机械系铸造专 业。 工学博士， 教授 （博导）， 兰州理工大学材料学院副院长。 主要从 事金属的凝固理论、 热型连铸技术、 双金属复合材料、 非晶态新材料 等方向的研究工作．
Al ／ 45 钢界面之所以出现硬度变化是由于近缝区 Al 和 45 钢 基 体 发 生 成 分 变 化 。 在 2 000 kV 下 保 温 60 s 后， 再分别在 4 000 kV， 4 500 kV 下， 保温 30 s， Al， Fe 都 有 一 定 量 的 扩 散 。 纯 Al 的 熔 点 为 660 ℃， 比钢的熔点低得多， 因此 Al 的扩散量较大。 同时 Fe 也有少量的扩散， 所以 Al 和 45 钢基体近缝区域由于 靠 近 界 面 处 存 在 A1 及 Fe 原 子 的 扩 散 而 形 成 Fe－Al 化合物， 从而造成钎缝区硬度明显高于两侧基体。 这 个现象与试验中结合界面组织形貌相吻合。 表 1 中钢 基体和 Al 基体硬度值并未随距离界面的远近而发生 明显变化， 这说明基体中的溶质是相对均匀分布的。 2．2 界面区的电子探针分析
焊接技术 第 38 卷第 4 期 2009 年 4 月
Al 的存在使得钎焊接头有一定的塑性和韧性 ， 并 使 钎焊接头具有良好的耐蚀性， Al76．84Fe24 的存在使钎缝 的硬度提高。
（b） 图 4 Al ／ 45 钢钎焊区成分线分析结果
由图 4 可见， 左侧为 Al 层， 中间结合面处为复 合层， Al 元素从 Al 层过渡至 Al－钢复合层中时， 其 含量急剧下降， 在复合层中 Al 含量的变化不大， 出
本文采用氩气保护下 的 高 频 感 应 钎 焊 工 艺 对 Al 与 45 钢进行焊接， 利用扫描电镜 （SEM） 和显微硬 度计分析了 Al ／ 45 钢钎焊界面附近的微观组织结构及 硬度分布。 利用电子探针和 X 射线衍射分析仪 （XRD） 判定出钎缝过渡区的元素分布情况及相组成。 探讨了 Al ／ 45 钢惰性气体保护下高频感应钎焊的可行 性， 提出了实现 Al 与 45 钢钎焊的合理工艺参数。 通 过对 Al/45 钢的成功焊接， 对于深入研究用常规方法