S355钢/6005A铝合金异种金属瞬间液相扩散连接研究

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节能减排已经成为工业化生产的主题,这就使工业化生产对结构轻质化有了更高的要求,所以异种金属复合结构的焊接受到了越来越高的关注。目前,钢/铝复合结构的焊接(连接)在汽车、轮船等非承载结构件中已有大量的应用。瞬间液相扩散连接(TLP-DB)具有连接温度低、残余应力小的优点,非常适用于异种金属材料的连接。本文分别采用纯Cu箔、Al-Cu及Al-Si-Cu共晶合金箔作为连接中间层,在有流动氩气保护的管式电阻炉内完成了S355钢/6005A铝合金(钢/铝)TLP-DB,研究了连接工艺(连接温度,连接时间)对钢/铝TLP-DB接头的显微组织结构及力学性能的影响。利用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS,Evo18,Carl Zeiss,Germany)分析了钢/铝TLP-DB接头的微观组织及元素分布;通过剪切强度以及连接界面显微硬度分布对接头的力学性能进行了评价;通过SEM和EDS对接头的剪切断口形貌和成分进行了表征;通过X射线衍射(XRD),分析了接头断口物相。纯Cu箔作为中间层成功地实现了钢/铝TLP-DB,形成了连续的接头,并且阻碍了Fe-Al脆性金属间化合物的大量生成,提高了连接接头质量。随着连接温度升高和连接时间的延长,原子之间互扩散充分,扩散层变宽。在连接压力为0.5MPa,连接温度为580℃,连接时间为30min时,接头抗剪强度达到最大值77.4MPa,接头的剪切试样断裂位置始于靠近钢侧的扩散层的微裂纹,断口表面平整,表现为脆性断裂,断口表面有FeAl、FeAl3和Al固溶体三种物相。Al-Cu共晶合金箔作为中间层成功地实现了钢/铝TLP-DB,形成了连续的接头。因为中间层为共晶成分,加速了共晶液相的产生,与纯Cu箔作中间层相比,在相同试验参数下,可以获得质量更高的接头。在连接压力为0.5MPa,连接温度为580℃,连接时间为30min时,接头抗剪强度达到最大值79.2MPa,Al侧断口表面主要物相有FeAl3和Al固溶体两种物相,Fe侧断口表面主要物相为FeAl3、FeAl2和AlCu3。Al-Si-Cu共晶合金箔作为中间层在较低的连接温度540℃下,成功地实现了钢/铝TLP-DB,形成了连续的接头。因为Si元素对Fe元素向Al侧的扩散起到了一定的抑制作用,与纯Cu箔和Al-Si-Cu共晶合金箔作为中间层在相同连接时间条件下相比扩散层较窄。随着连接温度的升高,硬度增大,抗剪强度减小,在连接压力为0.5MP,连接温度为540℃,连接时间为30min时,抗剪强度达到最大值60.2MPa,断口表面的物相主要有Al固溶体、FeAl3、FeAl2和AlCu3。
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