异种金属熔钎焊过程金属陶瓷原位自生及界面层剥落机理

It is a great challenge to weld aluminum alloy to steel because of the large differences in thermo-physical properties between these two materials, the easy formation of intermetallic compounds and large residual stresses after welding, which will significantly deteriorate the microstructure and mechanical properties of the resultant joint. During fusion brazing of aluminum alloy to stainless steel with Zn-Al alloy filler wire, we found that the in situ cermet in weld could remarkably improve the properties of the joints, and we also initially observed the detachment of interfacial layers during fusion brazing of aluminum alloy to carbon steel. This project will combine the control of welding parameters, characterization of microstructure, and analysis of joint properties to investigate the in situ mechanism of cermet, analyze the solidification and interface behaviors of cermet on steel surface, reveal the mechanism of action of cermet in the weld, and explain the effects of cermet on the microstructure and mechanical properties of the aluminum alloy/stainless steel dissimilar joint. This project will also clarify the detaching mechanism of interfacial layers, and reveal the diffusion and distribution characteristics of the detached interfacial layers during fusion brazing of aluminum alloy to carbon steel. The research results of this project will reveal the exclusive effectiveness of cermet in aluminum alloy/stainless fusion-brazing joint, enrich the theory of welding metallurgy, provide theoretical and experimental basis for in situ cermets to realize the efficient and effective fusion-brazing of aluminum alloy to steel, and help to determine the selection criteria of welding and structural materials during dissimilar metal joining of aluminum alloy to steel.

由于铝与钢的热物理化学性能差异较大，铝合金/钢异种金属焊接时，在焊缝中极易生成金属间化合物，并形成较大残余应力，严重影响接头显微结构和力学性能。申请人采用Zn-Al合金焊丝对铝合金/钢进行熔钎焊时，发现焊缝中原位自生金属陶瓷能显著改善接头性能；并首次在铝合金/低碳钢熔钎焊焊缝中发现了界面层剥落现象。本项目将结合焊接工艺参数控制、微观结构表征与性能测试分析手段，深入探索铝合金/钢熔钎焊焊缝中金属陶瓷的原位自生机理，解析金属陶瓷在焊缝中的行为特征及作用机制，阐明金属陶瓷对接头微观组织及力学性能的影响规律，探索铝合金/低碳钢熔钎焊焊缝中界面层的剥落机理，揭示剥落界面层的扩散机制和分布规律。该研究结果将明确金属陶瓷在铝合金/钢熔钎焊接头中的独特效用，丰富焊接冶金理论，为利用原位自生金属陶瓷实现铝合金与钢等异质金属间高强高效熔钎焊提供理论和实验依据，并制订铝合金/钢异质金属焊接材料选用准则。

项目负责人在前一项国家自然科学基金青年项目资助下，在铝合金/不锈钢熔钎焊焊缝中发现金属陶瓷原位自生现象，且能显著改善接头性能；首次在铝合金/低碳钢熔钎焊焊缝中发现了界面层剥落现象。本项目结合焊接工艺参数控制、微观结构表征与性能测试分析手段，揭示了铝合金/不锈钢电弧熔钎焊缝中ZnO相及金属陶瓷的原位自生机理，解析了金属陶瓷在焊缝中的行为特征及作用机制，阐明了金属陶瓷对接头微观组织及力学性能的影响规律。深入研究了铝合金/低碳钢熔钎焊缝中界面层剥落机理，揭示剥落界面层的扩散机制和分布规律。系统研究了铝合金/钢回填式搅拌摩擦点焊工艺参数和镀锌层对铝合金/钢点焊接头力学性能和微观组织的影响，铝合金/低碳钢点焊接头最大拉剪断裂载荷达3745 N，铝合金/镀锌钢点焊接头最大拉剪断裂载荷达4500 N，阐明了铝合金/镀锌钢点焊接头中ZnO相的形成机制，揭示了铝合金/无镀层钢和铝合金/镀锌钢回填式搅拌摩擦点焊接头的连接机理。研究结果丰富了焊接冶金理论，为利用原位自生金属陶瓷实现铝合金/钢等异质金属间高强高效熔钎焊提供理论和实验依据，并制订铝合金/钢异质金属焊接材料选用准则。. 在该项目资助下，项目负责人获2015年中国机械工程学会青年科技成就奖。已发表学术论文20篇，其中SCI刊源论文15篇，EI刊源论文17篇；获批中国发明专利2项；培养博士后1人、硕士研究生11人。. 项目执行期间，项目负责人担任第十届中国焊接学会计算机辅助焊接工程专业委员会副主任、中国机械工程学会焊接学会青年工作委员会副主任/常务委员、中国机械工程学会焊接分会第九届压力焊专业委员会委员；《焊接学报》编辑委员会委员、《China Welding》编辑委员会委员，扩大了在学术界的影响力。项目负责人及团队成员参加国际学术会议9次，其中，做邀请报告4次，口头报告2次，担任分会场主席3次；参加国内学术会议11次，其中，做大会报告1次，特邀报告1次，主旨报告1次，邀请和口头报告3次，担任分会场主席3次。