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(lèi)。熔化焊接的接頭性能差,
一般采用快速熱循環(huán)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(fā)的缺陷,因此近年來(lái)在這方面開(kāi)展的研究較多。
釬焊方法是在母材金屬不熔化情況下,通過(guò)釬料熔化后填滿(mǎn)間隙,并與母材金屬之間發(fā)生溶解、擴散等冶金作用的金屬焊接方法。
固態(tài)焊接技術(shù)是指對焊件表面清理后,施加靜態(tài)或動(dòng)態(tài)壓力,加熱或不加熱,在母材不熔化情況下使兩種材料發(fā)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(lèi)。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(huì )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(chǎn)生過(guò)熱、晶粒長(cháng)大的現象,導致焊接力學(xué)性能顯著(zhù)降低而失去使用價(jià)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(yōu)點(diǎn),
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(xué)性能有顯著(zhù)的影響,
熱輸入增大,接頭抗拉強度和斷后伸長(cháng)率均先增加后降低,當熱輸入為44J/mm抗拉強度和斷后伸長(cháng)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(shí)利用高電場(chǎng)產(chǎn)生的高速電子,經(jīng)聚焦后形成電子流,撞擊被焊金屬的焊接部位,將其動(dòng)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(zhì)量好,焊縫力學(xué)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(jìn)行真空電子束焊接,對優(yōu)化工藝條件下焊接接頭的微觀(guān)組織和力學(xué)性能進(jìn)行了研究。
結果表明,接頭成形良好,沒(méi)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(shù)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(guò)程中自動(dòng)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(xiàn)而高于釬料液相線(xiàn)的一種焊接技術(shù)。
釬焊時(shí)工件常被整體加熱或者釬縫周?chē)竺娣e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(yè)中高硅鋁材料一般都用在航空航天機械制造業(yè)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(zhì)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(shí)現有效連接,
侯玲等人在進(jìn)行高硅鋁釬焊試驗中采用了在65Si35A1合金基體上進(jìn)行先化學(xué)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(jìn)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(guān)組織結構及形貌、物相成分等進(jìn)行檢測,探討了釬焊工藝參數對65Si35Al合金的釬焊接頭質(zhì)量的影響,分析了接頭產(chǎn)生宏觀(guān)缺陷和微觀(guān)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(dòng)、相互摩擦所產(chǎn)生的熱,使端部達到熱塑性狀態(tài),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(shí)間并不長(cháng),是1991年提出的工藝,但是也得到了很快的發(fā)展。N.ARODRIRIGUEZ等人研究了A319和A413鋁硅鑄造合金的摩擦焊接。
實(shí)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(xué)性能。
實(shí)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(guò)程中得到了細化,也均勻的布滿(mǎn)于整個(gè)焊縫區,焊縫的晶粒細小、均勻而致密,未觀(guān)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(zhù)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(chǎn)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(shí)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(guò)渡液相擴散焊(TLP)等,其中過(guò)渡液相擴散焊(TLP)結合了釬焊和固相擴散焊二者優(yōu)點(diǎn)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(xué)者開(kāi)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(diǎn),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(shí)現的一些關(guān)鍵因素進(jìn)行了重點(diǎn)研究。
目前國內外對TLP的研究主要有以下幾個(gè)方面:山東電力研究院工程師王學(xué)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(kāi)放式氣體保護環(huán)境下焊接電站常用鋼管,可獲得連續均勻的焊縫組織和優(yōu)于手工熔化焊的力學(xué)性能。
工藝參數中包括中間層材料、加熱溫度、保溫時(shí)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(guò)系列試驗研究,結果表明:該種材料擴散焊時(shí),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(shí),結合面上出現了液態(tài)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(cháng)遠。
高硅鋁合金在航天、航空、汽車(chē)、空間技術(shù)等領(lǐng)域發(fā)揮著(zhù)重要的作用,對高硅鋁合金的研究越來(lái)越深入,在高硅鋁合金發(fā)展與應用中,與之相關(guān)的焊接方法、焊接技術(shù)投入更多研究也是一大趨勢。
這些領(lǐng)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(shù)、焊接方法要求也非常高,一般的熔焊和釬焊焊接出來(lái)的接頭在有些應用上達不到焊件的焊接要求,采用更先進(jìn)的焊接方法——擴散焊是硅鋁合金焊接研究的趨勢。
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