钢螺柱焊接头组织及性能

近年来 ，异种金属 之间连接的 应用 越来越 广泛 ．单一金属 本身不可能 满足应用 所需 的所 有物 理、化学和力学 方面的性能 ，而异种金属接头 可以满 足需求 ， 另外 还可以节省费 用 ， 节约 能源． 

异种金属的

组合螺柱焊问题，对于铝 和钢 组合 使 用表现 得 尤为明显 ．但由于铝与 钢两 者之 间热物 理性能 差 异大、铁在铝中的固溶度几乎 为零，铁 在 共晶温度 下的极限溶解度为 0．052% ，并 随着 温度的 下降 而急剧减小且 铁与铝 可以 产生 多 种硬 而 脆 的金属 间化 合物，如 FeAl，FeA1 2 ，FeA1 3 ，Fe 2 A1 5 ，Fe 2 A1 7 及 Fe 4 All3等，这些金属间化合物的存在，增加了焊接接头的 脆性，降低了其塑性和韧性，严重恶化了接头的力学性能，这已成为铝钢螺柱焊接的难点问题．

由于电弧焊的 热输入非常高，钢与铝 都很 容易熔化，很难控制熔合 区金属 间化 合物层 的成分，导致脆性金属间化合物层 的严重 长大，所以 难 以 采用电弧焊的方法焊接 钢和铝。

钎焊 作为一种 非 熔化焊的焊接方法 ，利用钎料在低于母材固相线但高于钎料 液相线的温度 下发生熔化，能够在铝钢母材表面润湿 、铺展、填缝，与母材发生相互溶 解扩散，并能在 一定程 度上抑 制Fe-Al金属 间化合物的生 成，能基 本满足对铝 钢 焊缝的 要求．文中采 用 感应 加热 钎焊的方法焊接 钢 螺柱与铝 板 ， 进一步研究 焊接接头的组织性能。

1 试验 条件

试验 选 用 6061 铝 板 ( 80 mm ×80 mm ×12mm) ， 钢 螺 柱 母 材 选 用 Q235 棒 材 ， 尺 寸 为 长 55mm，底面 直径 16 mm． 熔 敷金属 采用 了 自制的 AlSi箔带，焊接过 程采用自 制铝 －钢熔敷焊保护剂，并设计了箔带包裹保 护剂 预装 模 式，进 行熔 敷填 充．各试验 材料 具体成分及 力学 性能 见表 1．铝 板 采用丙酮除油处理后，用 NaOH 溶液去 除表面氧化膜，钢螺柱采 用丙酮 作除 油处理．

2 试验方法

将 AlSi 箔带与自制铝 －钢熔敷 焊保护 剂进 行包覆 ， 制 成外层为箔带 ， 里层为 铝 － 钢 熔 敷焊保护 剂的药芯焊丝 包覆 钎料 ; 包 敷钎料 采用 缠绕 的方式 预置在螺柱 周边．

感应器的 结构 设计 如 图 1 所示，感应线圈的外径为 80 mm，内径 为 40 mm，线圈厚 度为 15 mm，调节离 铝板表面的高度 为 2 mm． 试验 中使 用的焊接工艺 参数为 感应器电流 900 A，加热 时间 150 s．

制备金相试 样，使用 OLYMPUSBX60M金相显 微镜进行接头 内部 组织的观 察，Hitachi X-650 扫描 电子显微镜进行微观组织观 察和元素分析 ，HVS-1000Z 显微硬度计对焊接 试样进行显微维氏硬度测试．

3 试验结果与分析

3．1 焊缝组织 和成分分析

为 Al-Si 钎料铝 －钢螺柱 钎焊 试样的宏观形貌．可以看出 焊缝 成形 良好 ，焊接过 程中 钎料 全部熔化，铺展情况 较好，由于钎料熔 化后继续加热 了一段时间 ，保证了钎料 在铝钢母材之间的充分渗透．将 试样沿螺柱 直 径方向线切 割，得到 钢螺柱 与铝板接头的 剖面．图 3 为 钎焊接头的金 相组织 ．上侧为钢 母材 ， 下侧 为铝基 体 ， 接头 连 接较为 致密 ， 钎缝组织 由 Fe-Al 金属 间 化 合 物、Al- Si 共 晶 相、α-Al固溶体 三个区域 组成 ．由图 3 中可 以看出 ，钢 侧形成一条比较平的直线，而 AlSi 钎料与铝 母 材反应充分，钎料 中的铝与铝 母材混合形 成铝基 体; 在钎料温度达到 固相线开 始熔化后，与铝 母材接 触，硅向铝母材中扩散 ，形成针叶状 的 Al-Si 共晶组织 ，此 时的钢螺柱并 未熔化 ， 铁还处于固态 ， 所以 一旦富铝的 液相组织形 成，Fe 元素便快 速地 扩散熔 入液 相并 与之发生反应，形成熔点较高的 Fe-Al 金属 间化合物，从而液相会消失; 由于铝 冷却 速度 较快，金属 间化合物沿垂直于铝基 体的方 向生成出一些胞状晶。

为金属 间化合 物区 域放大的 EDS形貌．能谱分析 表明图 4 中谱图 1 所在浅灰 色区 域为连续 的Fe-Al 金 属 间 化 合 物 带，其 中 Al 元 素 含 量 为70. 99% ( 原 子 分 数，下 同 ) ，Fe 元 素 含 量 为15. 72% ，Si 元素含量为 13．29% ; 在 谱图 2 区 域 Al元素含量为 97．50% ，Fe 元素含量为 0．74% ，Si 元素含量为 1．77% ．结 合 Al- Fe 二 元 相图 ，可以 推断谱图 1 区组织 为 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 的混合 相组织 ，同时还有少量 α-Al 组织 ; 谱 图 2 区 为 Al-Si 共 晶组织 和少量 FeAl 3 的混合 相组织 ．金属 间 化合 物 厚度 大致为 10 μm，由图 3 中可 以看出 ，金属 间化合 物厚度占整个 钎焊对接接头 厚度的15% ～20%。

为钎焊缝的 线扫描 结果，从铁基体到 Fe-Al 化合物区 域，Fe 元 素的含量 逐渐减 少到 最低 ，之后 Fe元素出现 细 微地增加，这是 Fe 原子 向 铝的 液相组织熔 融和扩散的 结果，而 Al 元素在 金属 化合物区间 富集，靠近 铁基体界面 处迅速减少，只有极少 量扩散 至铁基体当 中，这是由于 Fe原子是在液相铝中扩散 ，而 Al 原子 是向固体 铁 中扩散的 原故 ，同时 Si元素含量在近 铁基体方向有略 微增加．熔融和 扩散到液相 铝 中 的 Fe 元 素 与铝 生 成 连续 的 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金属 间化合物．

3．2 力学性能 测试 分析

固定焊接 试样的铝 板，沿平行于铝 板的方 向，在螺柱 根部进行 剪切，测试 其抗 剪 强 度．试验 过 程中感应器电流 调 至 900 A，采用不 同的焊接 时间 得 到不同抗剪强度 ．焊接 150 s 时 钎料 在 母材之间 渗透扩散 较好，抗剪强度最高为 65 MPa，达到 6061 母材抗剪强度的 76．5% ; 当 焊接 时间 过 低 时，钎料 还 未完全 渗透就停止加热 ，导致钎料与 母材结合不牢固;焊接 时间 过长时，会导致熔融钎料 从钎缝流 走，还可能产生熔蚀现象，使得铝板表面留下麻面或凹坑，这些都 会造成焊接接头 强 度的 下降 ．试验 结果 见 表 2( 表 2 中抗剪强度为 多个 试样测试结 果的平均值) ．

给出的是焊缝 显 微 硬度曲线 ， 在焊缝接头区域及两边的母材，沿同 一条直 线每 隔 0．02 mm 取一点进行显微 硬度 测试．从 图 6 中可 以 看出 ，焊缝两侧 母材的 硬度值分 布较 为 均匀 ，钢 侧平均硬 度为131．9 HV，铝侧平均 硬 度为 47．9 HV． 焊缝 近钢 侧区的显微硬度最高为 445．6 HV ，向铝侧方向焊缝 区域的硬度呈明显 的降低 趋势．这 是由于焊接过 程中铁融入液 态的钎料 ，即铝硅 共晶相中 与之 发 生反应生成 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 ，这两种金属 间化合物都是脆性大硬度高 ．随着 Fe 元素含量 向铝 母材方 向上 的降低 ， 生成的金属 间化合物 逐渐减 少 ， 硬度 逐渐 降低 ;在焊接接头 近 铝侧 区 域成 分 为 Al-Si 共 晶组织 ，金相呈细长的针叶状 ，硬度比铝 母材稍高。

3．3 断口分 析

为断口 的 EDS的分析形 貌，其中 方框 1 中成分 F 元素含量为 60．64% ( 原子 分数，下 同) ，K 元素含量为 13．19% ，Al 元素含量为 22．44% ，Si 元素含量为 0．75% ，Fe 元素含量为 0．59% ．在钢 螺柱 的断面上留有白色 岛 状物质 ，主要 是钎 剂 遗 留下 的 F元素 和 K 元 素 ; 方 框 2 中 成 分 Al 元 素 含 量 为54. 44% ，Fe 元 素 含 量 为 40．89% ，Si 元 素 含 量 为4. 48% ，Mn 元 素含量为 0．18% ．结合 Fe-Al 二 元相图，可 判断方框 1 中还 含有少 量的 FeAl 3 ，方框 2 处为 Fe 2 Al 5 和FeAl 3 等金属 间化合物。

为不同放大倍数的断口 形貌，其中图 8a 可以看到断口 表面比 较 复杂，仍 有少 量 的白色 岛 状物质残留，为钎焊 结束 后 残余 的 保护 剂; 图 8b 可 以看到大 量形貌为纤维状 的长条 组织 ，并 且出 现少 量不同高度的 台阶．结 合断口 的 成 分可 以判 断，这 种断裂属于 延性断裂 ，纤维 状长条 组织 为 平行于断口 方向的剪切力与垂直于断面的 拉伸力产生的拉拔作用所致，断裂 面发生在 金属 间化合物区 域．

4 结 论

( 1) 采用 AlSi 钎料 ，以 感应加热 钎焊方法焊接Q235 钢 螺柱和 6061 铝合金 ，能 够 得到 良好 的焊接接头 ，接头组织 由金属 间化 合物 Fe 2 Al 5 和 FeAl 3 、Al-Si 共晶 相 、 α -Al 固 溶体三个区域 组成 ． 金属 间 化合物厚度为 10 μm 左右 ．

( 2) 剪切试验 表 明，焊缝接头 在 金属 间化 合物区间 断裂 ，断裂 性 质 为延 性 断裂 ，最 大 抗 剪 强度 为65 MPa，达到 6061 母材抗剪强 度的 76．5% ．

( 3) 焊缝接头金属 间化合物区 域显微硬度最大为 445．6 HV ，近铝侧区域呈 细 长的针叶状 Al-Si 共晶组织 ，硬度比铝 母材稍高．