铝/钢瞬时液膜辅助熔-钎焊连接机理研究

本项目针对铝和钢的优质高效连接这一要求，提出了瞬时液膜辅助熔-钎焊连接方法，深入分析焊接时液膜与钎料的作用行为、界面化合物的生长过程、接头力学性能和连接机理，研究铝和钢熔-钎焊连接时的液膜促润机理以及界面脆性化合物宏观控制机制。本项目以促进钎料润湿和控制界面反应为切入点，重点研究不同种类的镀覆层对焊缝成形的影响规律，并阐明瞬时液膜对钎料润湿性的影响机理，建立液膜辅助熔-钎焊焊缝成形物理模型；同时，从液-固界面扩散反应的角度对界面反应进行物理化学描述，揭示合金元素对界面化合物生长过程的影响，以期实现对界面化合物生成数量的宏观控制，实现铝和钢的优质高效连接。本项目的研究是异种材料连接领域中一个新的方向，其研究成果不仅为异种难润材料的连接提供新的方法和思路，而且为熔-钎焊的焊缝成形以及界面控制提供重要的理论依据。

本项目针对锻铝/不锈钢瞬时液膜辅助熔-钎焊连接进行了试验与理论分析，已完成计划内容。. 研究中对比分析了钢板表面镀锌、渗铝以及刷涂涂层对焊缝表面成形、接头界面结构及力学性能的影响，确立了提高铝基钎料润湿性的钢板表面处理方法，并且优化了混合涂层组分。工艺实验中发现焊接接头的本质抗剪强度取决于界面润湿程度与化合物层厚度的联合作用，并且随着焊接热输入的提高呈现先增后降的趋势。以接头拉剪性能为考核指标，本实验条件下，当焊接热输入为83.44KJ/m时，接头拉剪强度可以达到193.4MPa。研究中发现填充材料中Si元素的含量变化可以改变接头界面化合物相组成与界面层厚度，随着Si元素含量提高，界面层由单一的Al13Fe4相逐渐演变为Al13Fe4与Al-Fe-Si三元化合物组成的复合相层，并且化合物层的厚度与填充材料中Si元素含量也有必然联系。为表征Si元素对界面原子扩散行为的影响，通过MD模拟技术对界面原子扩散行为进行了分子动力学模拟，结果表明Si的添加可以减少界面扩散区Fe原子周围的近邻Al原子，从而抑制Al-Fe二元化合物的直接生成；同时Si的添加又促进了界面处Al、Fe、Si三种原子的互扩散，为Al-Fe-Si三元化合物的生成创造了条件。因此填充材料中Si的含量必须控制在合理范围之内才能起到减小界面层厚度的作用。研究中通过组织分析、力学性能测试并结合理论计算结果，最终确定AlSi5焊丝是最适于连接铝-钢的填充金属。. 采用视觉传感系统分析了焊接时镀锌层的作用机理，镀锌层首先通过蒸发改变电弧形态最终减小焊接热输入。除此以外，未蒸发锌层熔化形成瞬时液膜，瞬时液膜的形态随焊接热输入的增大按照圆形-环形-消失的规律进行演变，圆形与环形的瞬时液膜都可以保证钎料的良好润湿；焊接热输入过大，往往造成镀锌层大面积蒸发，瞬时液膜消失使得促进润湿的效果变差。同时根据熔-钎焊采用电弧进行焊接的物理本质构建了钎料的润湿铺展物理模型，采用最小能量原理分别对铝/镀锌不锈钢、铝/无镀锌不锈钢熔-钎焊过程中的钎料润湿过程进行了模拟仿真，模拟结果表明钢板表面镀锌层形成的瞬时液膜可以显著降低钎料润湿系统能量，使钎料在较小的能量数值处便可达到系统平衡，与铝/无镀锌不锈钢熔-钎焊相比，以终态平衡时为例，系统润湿阻力可以降低三分之二左右。