铝和钢板异种金属CMT连接中Zn对润湿机理的影响.pdf

第 2 期铝和钢板异种金属 CMT 连接中 Zn 对润湿机理的影响杜进先（白银矿冶职业技术学院，甘肃 白银730900）冶 金 与 材 料Metallurgy and materials第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月Vol.44 No.2Feb.2024摘要：汽车工业制造过程中的节能问题是其核心重点，其中的有效措施便是汽车轻量化。汽车制造中的铝合金和钢的混合结构轻量化可提高燃料使用效率并控制空气污染，因此钢和铝合金的有效连接受到行业重视。文章通过铝硅焊丝（4043）分别在表面镀锌和表面去锌的钢板上进行对焊试验，研究焊接过程中锌元素对焊缝成形的影响。通过对焊接接头进行金相分析发现，熔融液态铝在有镀锌的钢板表面上能够浸湿，流动性好，湿润角小，有利于焊缝的成形。关键词：铝钢板；锌；润湿性；金相分析作者简介：杜进先（1988），男，甘肃白银人，主要研究方向：异种金属的焊接，弧焊机器人教学等。实际生产过程中，当铝和镀锌钢焊接在一起，焊缝成形和性能较好，被广泛应用，尤其在薄板连接中。而铝与表面没有镀锌的钢板焊接时，会导致润湿角较大，焊接效果等同于无效焊接，且焊接后的焊缝性能特别差，较小的力度就会使焊缝脱离钢基体咱1暂。因此，探究铝钢异种金属CMT焊接中，为什么必须是表面镀锌的钢板才具有良好的焊接性，且润湿较好，这与钢表面镀的锌有关，对其形成润湿机理的研究具有重要的意义。1实验材料、仪器与过程试验选用焊材型号为4043的铝硅合金焊丝，母材分别选用：镀锌层厚度为 60g/m2的镀锌钢板，无镀锌钢板（裸钢）、在镀锌钢板上中间去除镀锌层宽度 1mm、2mm、4mm 的镀锌板、两边去去除镀锌层而中间留镀锌层宽度 6mm、8mm、9mm 的钢板。焊接母材尺寸均为200mm伊100mm伊1mm。焊前使用丙酮和酒精清洗去除钢板表面的油污，然后用吹风机吹干。焊接设备选用奥地利 Fronius 公司生产的 CMT-VR3200 系列 MIG 焊机在钢板表面进行堆焊咱2暂。用线切割机横向切取焊丝在钢表面堆焊的熔钎焊接头试样，制作成金相试样，经牙托粉固定后进行磨光。然后进行抛光，采用腐蚀液：硝酸（5mL）+盐酸（3mL）+氢氟酸（2mL）+蒸馏水（100mL），腐蚀时间为15s，腐蚀好之后用酒精清洗，并用吹风机把试样吹干用于观察。最终采用日本制造的 JSF-6700F 型扫描电镜（SEM）分析并对局部区域进行能谱分析咱3暂。2实验结果及分析选用 CMT 一元的焊接方法，设置焊接电压为10.2V，焊接电流为 49A，送丝速度 3m/min，焊接速度6.37mm/s，焊枪与工件间的偏离距离 1.52.5mm，焊枪的倾斜角度为 45毅，保护气为纯 Ar，气流量为 15.0L/min，分别在不同的母材上进行堆焊。焊后焊缝的宏观形貌见图 1。焊后对比发现焊丝在裸钢板上焊接时熔滴不润湿母材，当将镀锌钢板中间去 Zn1mm、2mm、4mm、6mm时，发现与在裸钢板上焊接的情况几乎一样。这是由于所形成的熔滴较小，滴在没有 Zn 的钢板上相当于裸钢板上，两边的 Zn 对焊接润湿没有促进作用。而在镀锌钢板上中间分别保留 6mm、8mm、9mm 的 Zn 将两边的Zn去掉时，所得到的焊缝可观察到焊缝宽度随着所留Zn宽度的增加而增加，但不会超过在镀锌钢板上的宽度。从图2可以看出，对于中间部分保留Zn的情况，a 裸钢b 镀 Zn 钢板c 中间 Zn1mm175冶金与材料第 44 卷图 1 焊后焊缝的宏观形貌d 中间去 Zn2mme 中间去 Zn4mmf 中间去 Zn6mmg 中间留 Zn6mmh 中间留 Zn8mmi 中间留 Zn9mm（b）（c）（a）图 2保留不同宽度镀锌层的润湿角度176第 2 期仍然存在富 Zn 区，但是富 Zn 区较小，没有存在角度的过渡，对于 Zn 的是否可以拉动熔滴流动减小表面张力有待进一步做试验来验证。Zn的作用可能是：淤保证Fe 的表面不被氧气氧化，使 Al 与 FexAly 接触而非 Al与Fe 的氧化物接触，有利于润湿。Zn 蒸发后降低了热输入量，减少了 IMC 的产生，减少了结合处的脆性。从裸钢板上不能润湿而镀 Zn 钢板上可以润湿可知：Zn有利于液滴的铺展，初步判定有铺展过程。通过观察，从图 3 中可以看出微观组织的形貌，熔化区和镀锌钢板间生成了一定厚度的灰色致密反应层，厚度约为 25滋m。从分布形状来看，靠近铝合金的位置呈细小针状，且向铝合金内生长，而在结合面一侧，各个区域的厚度几乎无差别；同时，接近镀锌钢的位置呈舌状分布，参差不齐，并向镀锌钢一侧生长。两者相比之下，化合物所呈现的厚度在不同区域的差别非常明显。根据 Fe-Al 二元合金相图，靠近镀锌钢一侧生成的铝铁金属间化合物为Fe3Al；近熔化区一侧生成的金属间化合物为 FeAl3；中间区的金属间化合物为 Fe2Al5；熔化区下部靠近钎焊结合面的亮白色物质为琢-Al。即：沿着镀锌钢界面区熔化区这条路径上相分布变化趋势为-Fe，Fe3Al，Fe2Al5，FeAl3，-Al。针对界面元素的分布情况进行研究，利用线扫描分析，可以得出图 4 所示。由图 4 不难看出 Fe、Al 的渐变过程十分明显，从镀锌钢到界面区，再到熔化区，分别是下降和上升，同时，其它的元素几乎没有变化。由此可知，呈现该种现象的原因为 Fe、Al 元素向对方基体母材扩散，而 Al 元素向镀锌板一侧的扩散效果更显著。图 3中心区域界面微观结构及元素分布（b）能谱线扫描分析（a）中心区域界面微观结构图 4中心界面区域微观结构及能谱线扫描（a）中心区域界面微观结构（b）能谱线扫描分析3结论镀锌层在铝钢板异种金属 CMT 焊接过程所起的作用为通过蒸发减少热输入，从而减小中间层的厚度，使结合得更良好；另一方面，保护 Fe 的表面不被氧化，在焊接的过程中，使熔化的焊丝（AlSi5）与 Fe-Al 相接触，而不是与 Fe 的氧化物接触，增强了焊丝在钢板上的润湿（较小的润湿角），且具有良好的焊接性能。参考文献1 杨修荣.钢与铝的焊接 J.航空制造技术，2004，47（12）：96.2 CaoR，WenB，ChenJ，etal.ColdMetal Transfer joiningof mag原nesiumAZ31B-to-aluminumA6061-T6J.MaterialsScienceEngineeringA，2013（560）：256-266.3 张洪涛，冯吉才，何鹏，等.镀锌层对铝/镀锌钢板 CMT 熔-钎焊电弧加热行为的影响 J.焊接学报，2009，30（8）：37-40+114-115.所有元素1200011000100009000800070006000500040003000200010000102030405060滋m杜进先：铝和钢板异种金属CMT连接中 Zn对润湿机理的影响177