镀锌钢板

引言

随着能源消耗和车辆尾气排放问题日益严重,车辆轻量化设计与应用得到了世界各国越来越多的重视。铝和钢异种金属结构具有轻质、强度高、导热导电性能良好等优点,在汽车工业中的应用越来越广泛。而铝和钢的熔点、导热性等物理性能存在巨大差异,焊接较为困难,为此本文采用了一种新的焊接方法一脉冲旁路耦合电弧焊(PulsedDE-GMAw）,其具有焊接成本低、控制简单、输入线能量低、焊接效率高等优点。

1试验方法

试验采用PulsedDE-GMAw方法,在熔化极气体保护焊(GMAw）基础上增加GTAw旁路,主路和旁路组成耦合电弧焊系统。焊接时,焊接电流流经焊丝在电弧弧柱区分为两部分:一部分是主路电流,另一部分为旁路电流,对母材进行加热,此方法使熔化焊丝的电流较高,使较小的电流通过母材,同时可以对熔化焊丝的电流和作用于母材的焊接热输入分别进行调节,通过控制旁路电弧的参数就可以控制对母材的热输入。

试验采用直径1.0mm的ER5356铝合金焊丝,在厚度为3mm、含锌量为100g/m2的镀锌钢板上进行PulsedDE-GMAw焊平板堆焊。试验时主路焊枪氩气流量为18L/min,旁路焊枪氩气流量为5L/min,主路平均总电流为30A,旁路平均总电流为30A,焊接速度为0.5m/min,得到的焊缝形貌良好。

2钢-铝异种金属焊接接头界面区组织观察和分析

2.1试样的制备

焊后试样采用线切割的方法,沿焊缝横截面制成焊接接头试样。运用MEF3大型光学显微镜和JsM-5600LV低真空扫描电子显微镜,观察焊接连接界面区的组织形貌以及金属间化合物。

2.2焊接接头界面区组织观察和分析

在光学显微镜50倍下看到的焊缝截面宏观形貌,如图1所示。从图1可以看出,在焊接过程中铝熔化而镀锌钢板不熔化。为进一步分析焊接接头界面区微观组织的分布,采用sEM对界面区中心部位的微观组织进行观察,如图2所示。从图2可以看出铝和镀锌钢板焊接接头中间界面区域有厚度约8～10Lm的金属间化合物层,化合物层由两层组成,在靠近铝一侧,化合物向铝方向呈针片状生长:在靠近镀锌钢板一侧,化合物向钢板一侧以条状或舌状生长。

图1焊缝截面的宏观形貌

图2焊缝界面中心区显微图

3Fe2A15Zn0.4化合物形成过程分析

3.1Fe2A15Zn0.4化合物形成过程模型的建立

为了研究锌扩散生成化合物Fe2Al5Zn0.4的形成过程,通过建立化合物形成过程模型进行模拟,界面金属间化合物Fe2Al5Zn0.4的生成描述如下:在电弧热作用下,熔化的液态铝与固态的钢在焊接界面发生物理接触后,游离的铝原子开始向固态铁中扩散,铁原子在液态铝中溶解,同时未挥发的锌原子也向液态铝中进行扩散。因为铝在固态铁中沿晶界的扩散系数要比沿晶内的扩散系数大得多,所以在晶界附近铝元素的浓度比界面浓度高。同时当晶界铝元素浓度达到一定值时,便开始形成Fe2Al5相的晶核。随着铝原子的持续扩散,Fe2Al5相晶核不断形成和长大,就会形成连续的相层,而Fe2Al5相随着原子的继续扩散向钢侧基体内生长。在电弧加热完成后,由于试验采用电弧加热方式,冷却过程迅速,铁原子在铝中的溶解度会逐渐降低,此时铁原子开始从熔体中以富铝化合物的形式结晶析出,因此会生成针片状的FeAl3相。在Al和Fe的扩散过程中,未来得及挥发的Zn扩散在界面区并溶解,锌元素与Fe2Al5相反应生成金属间化合物Fe2Al5Zn0.4,在焊缝界面区反应层生成均匀连续的新生相Fe2Al5Zn0.4。

3.2Fe2A15Zn0.4化合物形成过程模型的验证

为了验证Fe2Al5Zn0.4化合物形成过程模型,试验采用电子探针对焊接接头界面区进行面扫描,通过对每种元素的检测可以验证镀锌钢板上的锌元素在焊接时是否向铝熔化区扩散,试验结果如图3所示。在钢和铝侧均检测到有锌元素,并且锌元素在铝熔化区含量较高,从扫描结果可以看出焊接时Zn元素扩散最明显,说明在焊接时镀锌钢板上的锌元素全面扩散并不是全部挥发,验证了Fe2A15Zn0.4相的生成是A1、Fe、Zn元素扩散反应的结果。

图3焊接接头界面区电子探针面扫描结果

4结论

(1）镀锌钢板-铝异种金属采用Pu1sedDE-GMAw方法实现有效连接,通过对接头的微观组织观察分析,确定焊接接头中间界面区域是厚度约8～10μm的金属间化合物过渡层,化合物层由两层组成,靠近铝一侧朝铝方向呈针片状生长的是FeA13相:靠近镀锌钢板向钢板一侧以条状或舌状生长的是Fe2A15相,两相均为硬度值较大的脆性相。

(2）通过建立Fe2A15Zn0.4化合物形成过程模型,模拟焊接时元素的扩散及化合物的形成过程,采用面扫描方式对接头进行分析,结果发现锌元素在焊接时扩散最明显,验证了Fe2A15Zn0.4化合物是焊接时Zn扩散与A1、Fe元素反应的结果。