电弧喷涂铝Q235钢板/铝合金超声波辅助钎焊连接

电弧喷涂铝Q235钢板/铝合金超声波辅助钎焊连接

陈大林1俞伟元2宋学平1

（1.兰州石化职业技术学院，兰州730060；2.兰州理工大学甘肃省有色金属新材料重点实验室，兰州730050）

摘要：采用Q235钢板表面喷涂铝，自制钎料Sn90Ag5Ti5，在超声波辅助振动作用下，实现钢/铝合金的有效连接。借助于电子显微镜、力学性能测试研究分析钎焊接头的显微组织特征及超声波辅助钎焊时间变化对接头力学性能的影响。结果表明：超声波辅助焊接可以实现钢/铝合金的有效连接，随超声波辅助振动时间延长剪切强度先增大后不变，最终断裂在涂层位置；超声波在钎焊连接过程中主要作用是去除钎料表面氧化膜，提高钎料润湿促进钎焊过程，若无超声波辅助进行焊接，不能实现两者之间的有效连接。

关键词：铝钢；钎焊；超声波辅助；微观组织

中图分类号：TG454

前言

铝合金[1]由于密度小、重量轻、比强度高、良好的导电导热性和耐腐蚀性，被广泛应用石油化工、电力、建筑、交通运输等行业。而钢是一种塑韧性较好、强度较高、价格较低、可加工性能好的黑色金属材料，在工业生产和加工制造业中的地位至今无可替代。其主要应用于船舶、建筑、汽车[2,3]等重要工程结构中。因此，采用“铝+钢”复合结构具有得天独厚优势和广泛的应用价值，但由于各自物理性能差距较大，铝钢是焊接领域研究的热点，亦是难点[4-8]。本文拟采用自制钎料，通过超声波辅助实现Q235钢板表面喷涂铝与3003铝合金的连接。

1实验材料、方法

1.1实验材料

3003铝合金、电喷涂铝的Q235钢板2mm，自制钎料Sn90Ag5Ti5。采用电火花线切割将3003铝板、电喷涂铝的Q235钢板均加工成70mm×25mm×2mm的试样，自制钎料加工尺寸为15mm×25mm×0.5mm，以上材料共6组。

1.2实验方法

用锉刀去除3003铝合金表面氧化膜，而后用有机溶剂(如汽油、酒精、丙酮)将铝母材焊件表面油污进行擦洗干净，然后采用碱液清洗，后清水冲洗，吹风机吹干待用；电喷涂铝的Q235钢板只需用锉刀将试件待焊区域锉平、去除板边缘毛刺，后用有机溶剂去除板表面污物，吹风机吹干待用。

3003铝合金板和电弧喷涂的Q235钢板采用搭接接头（如图所示），加热采用高频感应加热，自制钎料经差热分析（DSC）来测试熔点226.8℃，钎焊温度选择260℃，采用0.4MPa压力进行固定。同时施加超声波辅助焊接，振荡频率为20KHz，钎焊过程焊缝采用Ar气进行保护。

图1钎焊接头示意图

力学性能测试采用万能材料试验机参照国标GB11363—2008《钎焊强度测试方法》在室温23±5℃以0.1mm/s的加载速度加载，进行试验直至试件拉断止。试验如图2所示。

微观组织分析采用横向切取钎焊试样接头，分别采用200#、400#、600#、800#、1000#、1500#水砂纸磨光逐级打磨，至试样表面光洁、无明显划痕，后在用抛光机上进行机械抛光，至试样磨面无划痕为止。采用扫描电子显微镜镜（SEM）和能谱分析（EDS）对3003铝合金和电弧喷涂的Q235钢板钎焊接头的显微组织进行观察。

图2剪切试验示意图

2试验结果及分析

2.1力学性能测试结果

采用振动频率：20kHz，振幅：0-50μm的超声波，钎焊温度：260℃，超声波辅助振动时间分别为10s、20s、30s、40s、50s，冷却室温，测试剪切强度。由图3可知随超声振动时间延长剪切强度先增大后不变，当超声波辅助振动时间为40s、50s时，接头断裂于涂层上。

如图4所示，涂层大量撕裂。因此，继续延长超声振动时间对焊缝强度的提高已无意义，当超声波辅助振动时间为40s和50s，焊缝在涂层处撕裂，即涂层结合强度为14.5MPa。

2.2钎焊接头界面及显微组织分析

2.2.1接头界面微观形貌

图5钎焊接头界面微观形貌

图5（a）接头界面为200倍微观形貌。由图可知，接头区域由上到下依次为：Al合金、钎料区、涂层、钢，整个接头组织致密，无明显缺陷，在钎料区与Al合金结合界面明显呈清晰可见锯齿状；涂层与钎料区结合界面呈无规则弯曲，涂层内部存在少许小的孔洞，焊接过程中熔化钎料通过毛细作用，渗到涂层内部。钎料区域钎料与上下母材结合紧密，无明显缺陷。图5（b）为Al合金与钎料区结合界面，结合界面参差不齐，增加钎料与铝的接触表面积。但由于钎焊温度较低，钎料与铝的无明显扩散。图5（c）为钎料区与钢的结合界面，组织致密，钎料渗透到涂层内部。

2.2.2接头界面组织与成分分析

（1）接头界面线扫描分析

如图6为接头界面各元素能谱线扫描照片。由图可知，扫描界面共有三个两相结合界面构成，从左至右依次为铝合金、钎料区、涂层、钢。整个钎料区域Fe、Al、Sn、O、Ag、Ti原子之间发生扩散，因焊接温度：260℃，属于软钎焊。由图可知，各原子扩散距离较小，其中Al、Sn原子的扩散距离较大，Sn原子主要分布在钎料区域，焊缝两侧的结合界面也有一定距离扩散，而Fe、Al、Ag、Ti原子因浓度梯度和温度较低扩散能力有限。整个焊接过程中虽然有Ar气保护，但也有少量的O原子扩散进入焊缝区域，且氧化熔化钎料形成氧化膜，超声振动可以破除钎料氧化膜，使其润湿铺展。在涂层区，也有少量的O原子分布于此，主要原因为在电弧喷涂过程中，涂层与空气接触发生少量的氧化。

图6接头界面线扫描

（2）接头界面点扫描分析

接头的结合界面有：3003铝合金与钎料区结合界面、钎料区与涂铝的Q235钢的结合界面，利用能谱分析（EDS）对结合界面的组织的特征点进行点扫描分析。

图7为钎料与3003铝合金结合界面，对图中组织特征较明显的三个点进行能谱分析，表1三个点的能谱分析结果。

图7铝/钎料结合界面

从表1各元素分析可知，点1主要为Al和少量的Fe、O，该组织为Al合金基体，并伴有少量的氧化现象；点2有大量的Ti和Sn，也有微量的O，Ti：Sn原子数之比为6:5，根据Sn—Ti二元相图知该组织为Ti6Sn5，Ti可以置换Al2O3中的氧，生成化合物TiO，进而促进钎料与涂层界面的润湿。点3主要为Sn及少量的Al、Fe、O，该组织为Sn基体。整个在焊接过程中，有少部分的Fe、Al原子扩散到钎料区，并伴有氧化现象。

表4.1铝/钎料结合界面点分析结果

图8为钎料与涂层的结合界面，铝涂层与钎料二者相互嵌入，扩散均匀，结合紧密，形成冶金反应，因焊接过程中采用超声波辅助振动，提高了钎料的润湿性和铺展性，促使熔化的钎料通过毛细作用渗透到涂层内部，电弧喷涂过程中在涂层中形成的孔洞增大了界面结合面积，促使接头强度的提高。

对图8中组织特征较为显著四个点进行能谱分析，表2是四个点的能谱分析结果。

图8钎料/铝涂层结合界面

表2铝/钎料结合界面点分析结果

从表2各元素分析可知，点1主要为Sn和少量的Al、O，该组织为Sn基体，有少部分Al扩散到钎料区，焊缝存在微量氧化现象；点2有大量为Ti和Sn，也伴有少量的O，Ti：Sn原子个数之比为6:5，根据Sn—Ti二元相图知该相是Ti6Sn5，Ti可以置换Al2O3中的O原子，生成TiO，从而促使钎料的润湿和铺展。点3主要为Al及微量Fe少量的O，该组织Al基体，有少许氧化现象；点4主要为的Al和O，为铝和铝的氧化物。

3结论

本文在超声波辅助下实现3003铝合金与电弧喷涂的Q235钢板之间的连接，通过性能测试和组织分析，得出如下结论。

（1）在260℃条件下采用Sn90Ag5Ti5钎料同时超声波辅助振动，实现了对电弧喷铝的Q235钢和3003铝合金连接；

（2）随超声波振动时间延长接头剪切强度先增大后不变，在振动时间40s时，能够的到最大的剪切强度值，可达到14.3MPa，撕裂位置为涂层区，即涂层结合强度；

（3）超声波辅助振动作用主要为去除液态钎料表面氧化膜，提高钎料润湿性的性能，并促使液态的钎料向涂层内部孔洞渗透，提高钎料与涂层的结合面积。无超声波辅助振动情况下，不能实现两者之间的连接。

（4）因钎焊温度较低，钎料与两侧金属无明显扩散。

参考文献

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作者简介：陈大林（1985-），河南商丘人，助教，硕士研究生，主要研究方向：从事异种材料连接技术研究，发表论文5篇。