预镀层不锈钢/铝异种金属高频感应钎焊接头界面及力学性能分析

预镀层不锈钢/铝异种金属高频感应钎焊接头界面及力学性能分析 预镀层不锈钢/铝异种金属高频感应钎焊接头界面及力学性能分析

吕世雄1， 杨旭东2,3， 万 龙2， 黄永宪2， 龙彩云1， 梁新宇1， 冯吉才1

(1. 哈尔滨工业大学 先进焊接与连接国家重点实验室，哈尔滨 150001;2. 哈尔滨万洲焊接技术有限公司，哈尔滨 150001; 3. 上海航天精密机械研究所，上海 201600)

摘 要：文中通过热浸镀一层纯铝到不锈钢表面，再对0Cr18Ni9不锈钢和LF21铝合金采用高频感应钎焊. 当热浸镀时间从10 s增加到50 s时，镀层厚度从7 μm增加到20 μm，反应层由FeAl3向Fe2Al5发生转变. 在热浸镀温度为750 ℃，浸镀时间为10 s时，镀层成型最好，高频感应电流为270 A，加热时间30 s时，抗拉强度达到167.12 MPa，比不浸镀的接头强度高63.8%. 主要是因为镀层限制钢中的Fe原子和Al-Si钎料中的Al,Si原子的相互扩散，在热浸镀不锈钢与铝合金反应中使Fe2Al5转化为Fe(Al,Si)2固溶体而未形成5-Al8Fe2Si化合物，降低了界面上硬脆化合物的含量，力学性能随之提高.

关键词：铝/钢异种金属；高频感应钎焊；界面反应层；抗拉强度

0 序 言

空调制冷管路材料对制冷产品的效果、寿命、成本具有极其重要的影响，目前大多数的厂家采用的是铜铝组合的制冷管，但铝铜之间容易产生脆性相而造成性能降低、泄漏等问题，为了解决这些问题，采用不锈钢实现过渡连接，即铜—不锈钢—铝的连接[1]，由于铜—不锈钢侧连接相对容易，铝合金和不锈钢在冶金上的不相容，在界面极易有脆性金属间化合物产生，严重恶化了接头的力学性能，成为焊接领域中公认的急需攻克的难点问题[2]. 采用熔焊方法存在界面脆性化合物多，残余应力大等问题[3]，采用直流交流双流气体保护焊时也存在大量的脆性相，接头强度较低[4]. 而采用钎焊连接时，使用Al-Si钎料可以降低界面脆性化合物的含量，提高接头强度[5]. 有学者在电阻点焊不锈钢和铝合金时，采用镀铝的不锈钢板来控制界面金属间化合物的含量，通过在不锈钢板的表面热浸镀一层铝合金，能够有效的阻止Fe,Al元素的扩散[6].

文中通过在不锈钢板上预镀铝，使用Al-Si钎料，采用高频感应钎焊对铝合金和不锈钢板进行连接，达到了控制界面反应层中金属间化合物的含量，改善焊接接头使用性能的目的.

1 试验方法

试验使用的母材为LF21铝合金和0Cr18Ni9不锈钢，其化学成分如表1所示. 不锈钢板与铝合金板的尺寸均为61 mm×12.5 mm×1 mm. 鉴于铝基钎料具备良好塑性、低熔的特征，且与铝合金冶金相容，并且考虑液态钎料的流动性及控制界面化合物生长，选择AlSi12作为钎料[5]. Nocolok钎剂主要由KAlF4和K3AlF6共晶成分构成，仅在熔融状态下具备反应活性，铝表面氧化膜能够被有效除去并防止重新氧化、微溶于水、在室温及钎焊温度下均不与铝反应，钎剂的残留渣不腐蚀其它材料. 熔点略低AlSi12焊丝的熔点，基于以上，选择Nocolok作为钎剂.

表1 LF21铝合金及0Cr18Ni9的化学成分(质量分数，%)

Table 1 Chemical compositions of LF21 aluminum alloy and 0Cr18Ni9

母材CrNiNMnCuSiTiMgLF21———1.0～1.60.20.60.150.050Cr18Ni91.98～10.50.5——0.03——

试验中采用不锈钢板与铝板搭接的形式，试验所用的焊丝为条状焊丝. 将装配好的待焊件及焊丝预热黏上钎剂，套在焊缝位置，进行焊接. 在热浸镀前涂刷Nocolok钎剂作助镀剂；将焊丝截成一小段放入到热浸镀前准备的不锈钢容器中，将不锈钢容器放入到高频感应加热线圈中，开启设备，当数字显示仪通过热电偶显示出的温度达到750 ℃时，调节加热电流，保证加热温度保持在750 ℃±5 ℃，将不锈钢板分别浸入到液态铝液中10，20，30,50 s后匀速提出，完成热浸镀过程，如图1所示.

图1 热浸镀装置示意图

Fig.1 Diagram of hot dipping device

试验中采用Olympus-MPG3光学显微镜对钎焊接头宏观及微观组织特征进行观察. 采用扫描电子显微镜(Hitatchi-4700)分析观察焊接接头界面组织形貌，Instron-5569电子万能试验机对接头进行拉伸试验，拉伸速度为1.5 mm/min. 利用能谱仪分析界面各物相的成分配比. 用旋转阳极X射线衍射仪对界面产物进行确定.

2 试验结果与分析

2.1 镀层界面特征分析及热浸镀工艺参数优化

图2为在750 ℃浸镀温度下，对不锈钢进行热浸镀纯铝，浸镀时间分别为10，20，30和50 s条件下的铝/不锈钢界面的形貌.

在白色的钢和深灰色的铝之间形成了一层浅灰色的反应层，这说明在热浸镀过程中，镀层和不锈钢基体形成冶金反应，保证了镀层与基体之间的良好结合，当热浸镀时间为10 s时，界面处靠近钢一侧，镀层厚度为7 μm，金属间化合物层比较平整，随着热浸镀时间增长，金属间化合物与钢侧界面存在起伏，金属间化合物向铝侧呈絮状生长，界面金属间化合物较为稀疏，热浸镀50 s时，镀层厚度为20 μm，时间对界面的反应层厚度和形态存在较大影响. 图3是热浸镀时间为10 s的沿着铝/反应层/不锈钢界面线扫描的分析结果. 可以看出，元素在界面处发生了扩散，对热浸镀时间10 s的特征点成分进行分析，结果见表2. 表中A,B,C点的Al元素含量极高，可以确定为纯铝层，也存在一定量的铁，可能是由扩散导致的. D点和E点的Al元素含量在73.5%～76.6%，参照Fe-Al相图，推测其成分可能是FeAl3和Fe2Al5. 美国的Robinson和Katter总结了Al-Fe化合物的种类、原子占位、结构和Al元素含量，存在Fe2Al5和FeAl3富铝化合物和不稳定的FeAl2，FeAl6Fe2Al9富铝化合物，以及FeAl和Fe3Al两种稳定富铁相[7,8]. 由图4所见，主要化合物是FeAl3，还存在有Fe2Al5,Fe4Al13等化合物. 在Fe-Al系化合物中FeAl3相的吉布斯生成能最小，FeAl3相是镀铝扩散过程反应中最容易形成的化合物相. 由于斜方晶格的Fe2Al5相结构的特殊性，能以较高的速度生长，并形成柱状晶区域，进一步扩散只能导致FeAl3相呈不连续状态[9]，最后导致在50 s反应层主要成分为Fe2Al5，如图5所示.

图2 不同浸镀时间镀层界面对比

Fig.2 Comparison of interfacial microstructures of coating at different immersing times

图3 镀层界面线扫描

Fig.3 Line scanning result of coating at 10 s

表2 图3中各点EDS成分分析(质量分数，%)

Table 2 EDS results of each point in Fig.4

位置AlFeNiCrA95.793.500.40.31B97.402.60--C100---D76.6320.710.842.36E73.5220.691.384.41

图4 浸镀10 s时镀层反应层XRD扫描结果

Fig.4 XRD result of coating at 10 s

图5 浸镀50 s时镀层反应层XRD扫描结果

Fig.5 XRD result of coating at 50 s

为分析不同热浸镀时间对于焊接接头强度的影响，采用焊接电流270 A，钎焊时间30 s高频感应焊接，如图6所示，在镀纯铝时，接头强度随热浸镀的时间增长，接头的强度先增后减，热浸镀时间为10 s时，接头的抗拉强度达到167.12 MPa，较未热浸镀接头102 MPa的强度提高了63.8%.

图6 浸镀时间对接头抗拉强度的影响

Fig.6 Effect of immersing time on tensile strength of joints

2.2 典型焊接接头界面组织分析

图7是在焊接电流为270 A，加热时间为30 s条件下，焊接前未热浸镀的钎焊接头的界面形貌.

图7 焊接前未热浸镀焊接接头界面SEM图像

Fig.7 SEM images of solder joint without hot-dip process

界面化合物可以明显的分为Ⅰ层和Ⅱ层，反应层Ⅰ厚度较大，是界面层的主体，化合物Ⅰ在靠近钢侧较为紧密，在靠近钎缝侧呈松散的絮状分布，靠近焊缝的反应层Ⅱ厚度很薄，并且厚度不均匀，整个界面反应层的厚度约为8～9 μm. 能谱结果如表3所示，根据其化学组成并参照Fe-Al-Si三元相图可推断靠近铝侧的反应层Ⅱ是Fe-Al-Si三元化合物，为τ5-Al8Fe2Si，反应层Ⅰ是Fe(Al,Si)3.

表3 未热浸镀接头界面反应层成分(原子分数，%)

Table 3 Components of not hot-dip solder joint interface reaction layer

反应层AlSiFeCrNiⅠ63.189.0723.114.200.44Ⅱ66.3210.4419.163.670.41

图8是在焊接电流为270 A，加热时间30 s条件下，焊接前热浸镀的钎焊接头的界面形貌，界面反应层可以分为明显的钢侧母材-反应层-扩散区-铝母材四个区域，反应层的厚度在为6～8 μm，扩散区存在着短杆状和细条状的浅灰色组织，为Al-Si共晶液相发生共析转变形成的硅[10]. 由图8b可以看出，反应层分为两层，分别为靠近钢界面的反应层Ⅰ和靠近Al-Si钎料侧的反应层Ⅱ. 此外，还有向AlSi12钎料中长入的针状及块状反应层Ⅲ，反应层Ⅰ很紧实，并且较薄，反应层Ⅱ稀疏呈团絮状分布，反应层Ⅱ是界面反应层的主体. 文献[11]采用硅钎焊膏对铝合金和不锈钢进行接触反应钎焊试验，其结果与研究中基本相符.

图8 焊接前热浸镀纯铝焊接接头界面SEM图像

Fig.8 Interface SEM images of hot-dipped

图9为对焊接接头界面进行的线扫描，由图9可见元素在界面处发生了扩散，为了确定界面反应层的成分，对焊接接头特征点进行分析的结果见表4，并通过XRD射线衍射分析(图10)可得出结论为靠近钢侧的反应层Ⅰ是Fe (Al,Si)2，靠近铝侧的反应层Ⅱ是Fe(Al,Si)3.

图9 焊接前热浸镀纯铝焊接接头界面线扫描

Fig.9 Line scanning of hot-dipped Aluminum solder joint

表4 图9中不同区域内各点EDS成分分析(质量分数，%)

Table 4 EDS results of each point in Fig.9

位置AlSiFeCrA39.9711.5938.587.25B49.9113.6328.256.85C65.8813.1415.965.03

图10 焊接前热浸镀纯铝钎焊接头XRD分析结果

Fig.10 XRD result of hot-dipped aluminum solder joint

2.3 界面化合物生长模型

2.3.1 未浸镀界面化合物生长模型

从铝液与不锈钢基体相接触开始，由于在液态的铝液中，Fe原子在铝中的扩散速度大于Al原子在固态铁中的扩散速度，Fe与Si原子向界面处偏聚，Si原子的聚集可以提高钢基体的溶解速度，如图11a所示.

图11 焊前未热浸镀钎焊接头界面化合物生长模型

Fig.11 Growth model of Interfacial intermetallic compound of joint without hot-dip process

随着溶解扩散过程的进行，界面前沿Fe，Si原子浓度逐渐升高，随着冷却过程，FeAl3相凝固温度高，优先在界面析出，同时少量Si原子溶解在其中，形成Fe(Al,Si)3相，如图11b所示. 在Fe(Al,Si)3相形成并生长的过程中，过量的Si原子向铝液中扩散，使得靠近钎缝侧界面前沿硅浓度进一步提高，满足生成Al8Fe2Si的浓度，随着冷却进行，Al8Fe2Si开始形核并长大，如图11c所示. 最后，冷却过程继续进行，Fe(Al,Si)3和Al8Fe2Si相继续长大，如图11d所示.

2.3.2 浸镀纯铝界面化合物生长模型

铝液与镀铝钢接触，钢中的Fe，Cr，Ni原子和Al-Si钎料中的Al, Si原子发生扩散，元素的扩散受到了热浸镀过程产生的反应层的限制，元素在反应层处聚集，如图12a所示. 随着焊接过程的进行，温度升高，原子扩散能提高，达到Fe和Si原子通过反应层的扩散激活能，Si原子扩散到FeAl3反应层中，取代Al原子，形成Fe(Si,Al)3固溶体，反应层中的Fe原子浓度有所提高，由于Si原子的置换作用使得原浸镀反应层无明显生长，如图12b所示. 随着扩散的继续进行，Si原子扩散到Fe2Al5反应层，此时Fe原子在Fe2Al5中扩散的含量也有所增加，扩散进入的Si和Fe原子与热浸镀过程形成的Fe2Al5发生反应形成Fe(Al,Si)2，Fe原子在液态铝中扩散需要通过Fe(Al,Si)3，Fe(Al,Si)2 双层反应层的阻碍，因此固-液前沿Fe原子浓度很低，金属间化合物发生微量反应和形态变化，如图12c所示，最后化合物继续长大如图12d所示.

图12 焊前热浸镀纯铝钎焊接头界面化合物生长模型

Fig.12 Growth model of Interfacial intermetallic compound of joint with hot-dip process

2.4 接头的力学性能

对铝/钢搭接接头进行钎焊接头抗拉强度试验发现，焊前没有热浸镀的断裂大部分发生在钎缝处，焊前热浸镀纯铝的接头基本断裂于母材. 焊前未热浸镀的接头的抗拉强度为102 MPa，焊前热浸镀纯铝的接头强度达到167.12 MPa. 数据表明使用纯铝条件下的接头强度较焊前未热浸镀的提高了63.8%.

3 结 论

(1) 对不锈钢热浸镀纯铝时，浸镀时间由10～50 s，镀层厚度由7 μm增大到20 μm，但由于随着浸镀时间增加，反应层中FeAl3向Fe2Al5转化，反应层中也逐渐出现空洞. 采用热浸镀温度为750 ℃，浸镀时间为10 s，镀层成形最好.

(2) 通过分析相比于焊前未热浸镀的钎焊接头，焊前热浸镀纯铝接头的成形更好，在热浸镀温度为750 ℃，浸镀时间为10 s，高频感应钎焊电流为270 A，加热时间为30 s时，接头的抗拉强度达到了167.12 MPa，较焊前未热浸镀接头提高了63.8%.

(3) 镀层条件下，钎焊界面的形貌较无镀层条件下反应层的形貌和组织发生了较大变化，未浸镀的界面接头的反应层由化合物Fe2Al8Si和固溶体Fe(Al,Si)3组成，热浸镀纯铝的反应层分别由固溶体Fe(Al,Si)3，Fe (Al,Si)2组成，减少了界面硬脆化合物的含量，从而提高界面的力学性能.

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收稿日期：2016-04-05

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51575132)； 昆山市创新创业人才计划资助项目(KSRC201709)

中图分类号：TG 457.1

文献标识码：A

文章编号：0253-360X(2017)03-0022-05

作者简介：吕世雄，男，1957年出生，博士，教授级高级工程师. 主要从事有色金属连接方面的研究. 发表论文20余篇. Email： [email protected]

通讯作者：万 龙，男，博士. 主要从事有色金属连接方面的工作. Email： [email protected]