合金元素及金属间化合物对铝-钢熔钎焊接头微观组织和力学性能的联合影响机制研究

铝-钢异种金属在熔钎焊时，焊缝中极易生成脆而硬的Al-Fe金属间化合物，从而严重影响接头力学性能。然而，通过设计焊丝中的合金元素，进而控制焊缝中金属间化合物的结构、厚度及分布，有望显著改善铝-钢熔钎焊接头微观组织及力学性能。本课题结合材料设计理论以及合金相图分析，熔炼制备铝基低熔点合金焊丝，系统研究微量合金元素对钨极氩弧焊条件下铝-钢熔钎焊接头中Al-Fe金属间化合物的形成种类和分布的影响规律，重点揭示Zn、Ni、稀土元素和金属间化合物对接头显微组织和力学性能的联合影响机制。深入研究含锌合金焊丝在无镀层钢表面的润湿和铺展机制，明确微量合金元素对金属间化合物形成种类、尺寸和分布的作用机理，阐明铝-钢熔钎焊焊缝微观组织结构与接头力学性能之间的内在联系，为适用于铝合金和无镀层钢之间异种金属熔钎焊低熔点合金焊丝体系的设计及铝-钢的直接熔钎焊工艺提供理论依据和试验基础。

铝合金/钢异种金属焊接接头在车辆、船舶、压力容器等领域应用前景广阔，然而，由于铝与钢的热物理化学性能差异较大，如熔点、导热系数、热膨胀系数等，铝/钢异种金属焊接时，在焊缝中极易生成脆且硬的Fe-Al金属间化合物，并形成较大焊后残余应力，从而严重影响接头显微结构和力学性能。本项目采用焊接热输入可控的钨极氩弧熔钎焊技术，通过控制焊丝中的合金元素，进而控制焊缝中金属间化合物的结构、厚度及分布，并采用焊后热处理有效降低接头焊接残余应力，显著改善了铝/钢焊接接头显微组织及力学性能。本项目分别采用Al-5%Si、Al-12%Si、Al-6%Cu、Al-10%Si-4%Cu、Zn-15%Al实芯焊丝针对铝合金/镀锌钢异种金属，Al-12%Si、Zn-15%Al药芯焊丝针对铝合金/不锈钢、铝合金/低碳钢异种金属进行了钨极氩弧熔钎焊工艺试验，对所得焊接接头在220℃、280℃、345℃保温15min、30min、60min，考察了不同焊接工艺及焊后热处理条件对接头微观组织和力学性能的影响规律，使得铝合金/无镀层钢钨极氩弧熔钎焊接头拉伸断裂发生在铝合金母材上。本项目系统研究了合金元素对铝/钢熔钎焊接头中Fe-Al金属间化合物的形成种类和分布的影响规律，重点揭示了Zn、Si、Cu等合金元素和金属间化合物对接头显微组织和力学性能的联合影响机制，明确了合金元素对金属间化合物形成种类、尺寸和分布的作用机理，阐明了铝/钢熔钎焊焊缝微观组织结构与接头力学性能之间的内在联系，为铝合金和无镀层钢之间异种金属熔钎焊的工程化应用提供了理论依据和试验基础。在本项目研究过程中，项目负责人首次在铝合金/不锈钢熔钎焊焊缝中发现了原位自生金属陶瓷，首次在铝合金/低碳钢熔钎焊焊缝中观察到了界面层脱落剥离现象。目前，焊缝中的金属陶瓷原位自生机理、界面层脱落剥离和扩散机制及其对焊接接头的影响规律有待于通过更深入的研究探究清楚。在完成本课题的过程中，培养硕士研究生4名（已答辩毕业3名，预计2013年6月答辩毕业1名），申报发明专利1项，发表学术论文14篇（含已录用2篇），其中7篇（含已录用2篇）发表在SCI源刊，2篇发表在EI源刊上，5篇为会议论文。