文档介绍：Classified Index: .: Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON CHARACTERISTICS AND INTERFACE BEHAVIOR OF PRECOATING TIG WELDING-BRAZING OF ALUMINUM ALLOY TO STAINLESS STEEL Candidate: Song Jianling Supervisor: Prof. Yang Chunli Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering Specialty: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Sci. & Eng. Date of Defence: June, 2010 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 摘要 - I -摘要铝合金与不锈钢的复合结构具有质轻、高强、耐腐蚀等方面的综合优势,在航空航天、汽车制造及造船等领域中应用越来越广泛,然而两者之间固溶度低,热物理性能差异大,且极易反应生成脆性的金属间化合物,这已成为焊接领域中的难点问题。近来,电弧熔-钎焊方法以其便捷、高效化的焊接特性成为铝/钢异种合金连接中的热门研究方向,促进液态钎料在钢表面的润湿铺展,并控制界面脆性化合物层的生长,是获得优质铝/钢接头的关键问题。本文首次提出了预涂层TIG熔-钎焊方法,针对3mm厚的铝合金与不锈钢板对接结构,全面地研究了其焊接特性,研制出了适用于电弧加热条件下的预涂层,开发出了接头成形控制技术,获得了具有熔焊与钎焊双重特征的复合型接头。在此基础上,研究了接头微观结构特征,深入分析了界面层的组织形态与反应产物,评定了接头力学行为,建立了界面结构与力学性能之间的联系。进一步,从焊接能量控制与合金元素作用两方面展开研究,分析了焊接热输入对界面温度场分布的影响,通过热力学与动力学分析,揭示了TIG熔-钎焊界面层生长机制,深入研究了合金元素对界面结构的作用,分析了其控制界面层生长的作用机理,实现了铝/钢异种合金的可靠连接。通过润湿铺展试验和多组元正交试验,获得了综合性能良好的预涂层,分析了其促进钎料润湿铺展的作用机理,阐述了预涂层TIG熔-钎焊接头成形行为,开发出了单面焊双面成形控制技术,获得了成形良好的铝/钢对接接头。预涂层成分为:改性的Nocolok钎剂(KAlF4 65%+K3AlF6 35%) 55wt%,Zn 20wt%,Sn 20wt%,K2SiF6 5wt%。预涂层的作用主要体现在三个方面:一是熔融氟化物钎剂去除液态钎料表面的残余氧化膜,净化液态钎料表面;二是氟化物钎剂分解并覆在熔池表面,显著降低液-气界面张力σl-g;三是Zn和Sn金属液层沉积在钢表面并溶入液态钎料,降低液-固界面张力σl-s。接头成形过程为:预涂层首先熔化,在钢表面形成液态薄膜;随后,焊丝送到坡口根部,紧贴成形槽底部,并迅速熔化,液态钎料在钢板背面润湿铺展,完成背面成形;最后,液态钎料沿坡口表面进行“上坡”铺展,实现正面成形。研究了铝合金/不锈钢TIG熔-钎焊接头微观结构特征,深入分析了不同填充钎料和焊接热输入条件下的界面结构,测试了接头的力学性能,研究了接头的断裂行为。采用Al-Si12钎料时,界面层厚度分布不均匀,呈锯齿状生长,由τ5-Al8Fe2Si和θ-(Al,Si)13Fe4两层化合物构成,随着热输入量的增加,界面层中θ相生长迅速,整体界面层厚度在3-10μm之间,形态由小锯齿状向粗大锯齿状变哈尔滨工业大学工学博士学位论文- II -化;界面层具有高的硬脆性,在界面层由τ5相组成,厚度在5-7μm之间,呈粗大锯齿状生长时,具有较高的抗裂能力,接头抗拉强度在120-130MPa之间,界面层抗拉强度在80-100MPa之间。采用Al-Cu6钎料时,界面层厚度分布较为均匀,呈短须状生长,由θ-Al13(Fe,Cu)4一层化合物组成,随着热输入量的增加,界面层厚度在2-5μm之间,形态由短须状向粗针状变化;界面层具有较高的抗裂性,当界面层厚度在2-4μm之间,呈短须状生长时,其抗裂能力最强,接头抗拉强度达到170-180MPa,界面层抗拉强度在135-150MPa之间。运用MARC有限元软件实现了对TIG熔-钎焊界