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ZL109、AlSi12CuMgNi、65Si35Al、A319、A413、ZL114A高硅鋁合金的焊接工藝
發布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時間：2015-05-05
ZL109、AlSi12CuMgNi、65Si35Al、A319、A413、ZL114A高硅鋁合金的焊接工藝
?能夠連接高硅鋁的焊接方法有：熔化焊、釬焊和固相焊接三大類。熔化焊接的接頭性能差，一般采用快速熱循環和低熱輸入的高能量密度焊，包括電子束焊和激光焊，有助于減少熔化焊所引發的缺陷，因此近年來在這方面開展的研究較多。釬焊方法是在母材金屬不熔化情況下，通過釬料熔化后填滿間隙，并與母材金屬之間發生溶解、擴散等冶金作用的金屬焊接方法。固態焊接技術是指對焊件表面清理后，施加靜態或動態壓力，加熱或不加熱，在母材不熔化情況下使兩種材料發生固相結合的焊接方法。摩擦焊、擴散焊、爆炸焊、超聲波焊等均屬此類。高硅鋁合金可用的壓焊方法有：摩擦焊、真空擴散焊等。
激光焊接
已有研究表明，高硅鋁材料需要采用功率較低的熔焊方法連接，由于合金中的Si元素含量較高，焊縫金屬組織中會形成針狀共晶硅和粗大板狀多角形的初生硅，嚴重割裂基體；近縫區的金屬易產生過熱、晶粒長大的現象，導致焊接力學性能顯著降低而失去使用價值。而激光焊接具有功率密度大、焊縫深寬比例大、熱影響區小、工件收縮和變形較小、焊接速度快等優點，這種焊接方法適合高硅鋁的焊接。張偉華等人研究了ZL109硅鋁合金CO2激光焊接接頭的組織和性能，獲得了焊接組織致密、晶粒細小的接頭，焊接的熱輸入對接頭力學性能有顯著的影響，熱輸入增大，接頭抗拉強度和斷后伸長率均先增加后降低，當熱輸入為44J/mm抗拉強度和斷后伸長率達到最大值，分別為121.2MPa和4.3%。
電子束焊接
電子束焊接時利用高電場產生的高速電子，經聚焦后形成電子流，撞擊被焊金屬的焊接部位，將其動力轉化為熱能，使被焊金屬熔合的一種焊接方法。電子束流具有能量密度高、穿透能力強、焊縫深寬比大、焊接速度快、輸入能量較小，因此熱影響區小、焊接變形小。所以，電子束焊接質量好，焊縫力學性能高。石磊等人將AlSi12CuMgNi鋁合金擠壓鑄造的活塞頂圈和鍛造的活塞裙進行真空電子束焊接，?對優化工藝條件下焊接接頭的微觀組織和力學性能進行了研究。結果表明，?接頭成形良好，?沒有明顯的熱影響區，焊縫狹窄；焊縫區域主要由細小的α-Al相、α+Si共晶體、初晶硅以及Mg2Si等強化相組成；焊縫中心組織為細小的等軸晶和樹枝晶；熔合區組織主要為柱狀晶。接頭強度不低于擠壓鑄造母材，焊縫硬度高于母材；焊接接頭的拉伸斷口斷面上分布大量撕裂棱和解離面，呈脆性斷裂。
釬焊
釬焊和熔焊方法不同，常規釬焊是采用（或過程中自動生成）比母材熔化溫度低的釬料，操作溫度采取低于母材固相線而高于釬料液相線的一種焊接技術。釬焊時工件常被整體加熱或者釬縫周圍大面積均勻加熱，因此工件的相對變形量以及焊接接頭的殘余應力都比熔焊小得多。在現在制造業中高硅鋁材料一般都用在航空航天機械制造業中的高精密器件。對于這些器件采用釬焊方法焊接，對工件的影響也是最小的。由于高硅鋁合金中含有硬質硅相，釬料對該系列材料的潤濕性能較差，用普通的軟釬焊方法難以實現有效連接，侯玲等人在進行高硅鋁釬焊試驗中采用了在65Si35A1合金基體上進行先化學預鍍Ni，再分別鍍Ni-Cu-P、Au和Cu層的方法，有效地改善了它的軟釬焊性能。采用Sn-Pb、Sn-Ag-Cu、Sn-In、Sn-Bi幾種軟釬料對不同鍍層的65Si35Al合金試樣進行爐中軟釬焊試驗分析，內容包括利用金相顯微鏡、帶有能譜分析（EDS）功能的掃描電子顯微鏡等測試手段，對焊接接頭的微觀組織結構及形貌、物相成分等進行檢測，探討了釬焊工藝參數對65Si35Al合金的釬焊接頭質量的影響，分析了接頭產生宏觀缺陷和微觀缺陷的原因以及釬料對不同鍍層潤濕性能的差別。
摩擦焊
摩擦焊是利用工件端面相互運動、相互摩擦所產生的熱，使端部達到熱塑性狀態，然后迅速頂鍛，完成焊接的一種方法。這種焊接方法的研究時間并不長，是1991年提出的工藝，但是也得到了很快的發展。N.ARODRIRIGUEZ?等人研究了A319和A413鋁硅鑄造合金的摩擦焊接。實驗結果表明在焊接焊縫區中粒子間距降低，相應的硬度也得到了提高。季亞娟等人研究了ZL114A鋁合金在不同參數的條件下攪拌摩擦焊接頭的硬度、組織及力學性能。實驗結果：焊接中心區域的組織是細小的等軸晶。硅粒子在焊接過程中得到了細化，也均勻的布滿于整個焊縫區，焊縫的晶粒細小、均勻而致密，未觀察到氣孔裂紋等缺陷。
擴散焊接
擴散焊接是借助于高溫下相互接觸著的材料之間有局部的塑性變形，表面間的緊貼和表面之間的互擴散而產生金屬鍵的結合，從而獲得一定形式的整體接頭。原子間的相互擴散是實現擴散連接的基礎，擴散焊需要采用較大的壓力，配合面精度要求高，對于復雜構件很難均勻加壓，甚至還需昂貴和復雜的夾具，因此，擴散焊的要求比較高端。擴散焊可以分為異種材料擴散焊、同種材料擴散焊、加中間層擴散焊、超塑性成形擴散焊、等靜壓擴散焊、過渡液相擴散焊（TLP）等，其中過渡液相擴散焊（TLP）結合了釬焊和固相擴散焊二者優點形成了新的連接方法，其原理是將與基體材料相匹配的中間層合金置于連接面，國內外學者開始了對這種方法深入的研究。國內對TLP的研究尚處于起步階段，主要是針對一些異種難焊金屬的焊接工藝。與國內所作的研究相比，國外的研究方向要廣一點，不僅涉及了工藝的研究，更多的是對TLP焊接的模擬，對TLP工藝實現的一些關鍵因素進行了重點研究。目前國內外對TLP的研究主要有以下幾個方面：山東電力研究院工程師王學剛等采用自行研制的Fe?—Ni—Si—B系非晶金屬箔帶作為中間層材料和TLP工藝，在開放式氣體保護環境下焊接電站常用鋼管，可獲得連續均勻的焊縫組織和優于手工熔化焊的力學性能。工藝參數中包括中間層材料、加熱溫度、保溫時間、壓力及對焊接端面要求。劉黎明、牛濟泰等人采用真空擴散焊焊接鋁基復合材料SiCw/606Al，通過系列試驗研究，結果表明：該種材料擴散焊時，焊接溫度是影響接頭強度的主要工藝參數，當焊接溫度介于基體鋁合金液-固兩相溫度區間時，結合面上出現了液態基體金屬，可獲得較高的接頭強度。國內外有不少研究人員從事擴散焊接的研究，但對硅鋁合金擴散焊研究并不多，在這方面研究前景和探索空間比較長遠。
高硅鋁合金在航天、航空、汽車、空間技術等領域發揮著重要的作用，對高硅鋁合金的研究越來越深入，在高硅鋁合金發展與應用中，與之相關的焊接方法、焊接技術投入更多研究也是一大趨勢。這些領域的應用對高硅鋁的焊接接頭性能要求非常高，再加上高硅鋁材料含硅高、易氧化的特性，這對高硅鋁焊接技術、焊接方法要求也非常高，一般的熔焊和釬焊焊接出來的接頭在有些應用上達不到焊件的焊接要求，采用更先進的焊接方法——擴散焊是硅鋁合金焊接研究的趨勢。
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