（材料加工工程专业论文）za合金tig焊焊剂作用机理及接头组织性能研究.pdf

山东大学硕士学位论文 z a 合金t ig 焊焊剂作用机理及接头组织性能的研究 摘要 z a 合金是以z n 、a 1 两种元素为主，c u 、m g 等合金元素为辅的多元化合金， 具有良好的力学性能、优良的铸造性能、良好的摩擦磨损特性、成本低和能耗低、 对环境无污染等特点，应用日趋广泛。本文以新型z a 合金为研究对象，对z a 合金 t i g 焊中焊剂的作用机理进行了初步的研究，并对焊接接头的组织和性能进行了 系统的研究。 论文研究了t i g 焊剂在z a 合金焊接过程中的作用机理研究表明，t i g 焊剂 引发电弧弧柱等离子体的收缩，使得导电通道变窄，焊缝宽度减小，同时电弧电 压升高，熔深增加；焊缝中z n 的损失减少。研究认为，焊剂在焊接过程中发生 化学冶金反应：一可以向焊缝中过渡z n ；二会在熔池表面形成液态薄膜，保护熔 池，阻挡锌的蒸发和氧化损失。 z a 合金焊缝组织主要为细长的柱状晶、粗大的树枝晶状和层片状的组织组 成。熔合区组织主要由柱状树枝晶、共晶组织组成。h a z 主要由重结晶区和部分 重结晶区组成，没有粗大的过热组织。 z a 合金t i g 焊缝的耐腐蚀性高于母材，t i g 焊接头的抗拉强度不低于母材， 且断裂部位都在母材上，伸长率略低于母材。对接焊接头的抗拉强度和伸长率和 母材相比差别不大，堆焊接头的抗拉强度和伸长率差别较大。焊缝和熔合区的硬 度略高于母材，其中熔合区的硬度最高z a 合金焊接接头熔合区的硬度具有最高 值。 关键词：z a 合金焊剂作用机理组织性能 i h 山东大学硕士学位论文 s t u d y o fa c t i o nm e c h a n i s mo ff l u x e sa n dm i c r o s t r u c t n r ea n d p r o p e r t i e so f j o i n t si nz aa l l o yt i gw e l d i n g a b s t r a c t z aa l l o yi sam u l t i - c o m p o s i t i o na l l o ym a i n l yc o m p o s e db yz na n da i d u et oi t s c h a r a c t e r i s t i c ss u c h 私e x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t y , c a s t a b i l i t y , w e a l r e s i s t i n g p r o p e r t y , l o wc o s t , t h i sk i n do fa l l o yh a sg a i n e dg r o w i n gc o m m e r c i a la p p f i c a f i o n i n t h i sp a p e r , t h ea c t i o nm e c h a n i s mo ff l u x e sa n dm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so f j o i n t s i nz aa l l o yt i g w e l d i n ga r es t u d i e d t h ea c t i o nm e c h a n i s mo f f l u x e si ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t , f l u x e sc a u s et h e c o n s t r i c t i o no f t h ea r cc o l u m np l a s m a , w h i c hc a u s en a r r o wc o n d u c t i n gc h a n n e l r e s u l t i n gn a r r o ww e l d i n gw i d t h , a n dt h ei n e r e a s v so f a r cv o l t a g e l e a d i n g t oa u g m e n t e d w e l dp e n e t r a t i o n m e a n w h i l el o s s e so f z ni sr e d u c e d a st h ec o n c l u s i o ns h o w st h a t ， c h e m i c a lr e a c t i o n so c c u rw h i c hw i l lt r a n s i tz nb yt h ef l u x e si n t ot h ew e l d sa n df o r m l i q u i df i l mp r o t e c t i n gz ni nt h ew e l d i n gp o o lf r o me v a p o r a t i o na n d o x i d a t i o n s l e n d e rc o l u m n a rc r y m l , c o a r s et r e ec r y s t a la n dl a m e l l a s o m es t r u c t u r ee x i s ti n w e l d s c o l u m n a rt r e ea y 蹦a n de u t e c t i cs t r u c t u r ee x i s ti nf u s i o nz o n e h a zi s d i v i d e di n t ot w op a r t s ，a n n e a l e dz o n ea n dp a r t i a l l ya n n e a l e dz o n e c o a r s eo v e r h e a t i n g s t r u c t u r ed o s on o tf o t i n e d t h ec o r r o s i o nr e s i s t i n gp r o p e r t yo ft h ew e l d si sb e t t e rt h a nt h a to fp a r e n tm e t a l t h et e n s i l es t r e n g t ho ft h ej o i n t si sh i g ht h a nt h a to f p a r e n tm e t a l , a n dt h ee x t e n s i o n p e r c e n t a g eo f t h e j o i n t si ss l i g h t l yl o w e r t h a nt h a to f p a r e n tm e t a l f r a c t u r eo c c u r 8o n t h ep a r e n tm e t a l t h et e n s i l es t r e n g t ha n de x t e n s i o np e r c e n t a g ea r es l i g h t l yd i f f e r e n t b e t w e e nb u t tw e l d e dj o i n t sp a r e n tm e t a l b u tq u i t ed i f f e r e n tb e t w e e ns u r f a d n gj o i n t s a n dp a r e n tm e t a l h a r d n e s so fw e l d sa n df u s i o nz o n ei ss l i g h t l yh i g ht h a nt h a to f p a r e n tm e t a l a n dt h ef u s i o nz o n ep o s s e s st h eh i g h e s th a r d n e s sv a l u e k e y w o r d s ：z aa l l o yf l u x a c t i o nm e c h a n i s mm i c r o s t r u c t u r ep r o p e r t y v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：强芝氆 日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：越导师签名：叁9 盘盘 日期：鲨! ：墨! f 山东大学硕士学位论文 1 1 选题背景 第一章绪论 世界性的能源危机及铜蕴含量逐年大幅度减少，促使人们研究和开发新型材 料以替代铜及其合金，z a 合金正是以此为背景进行研究和开发的。1 9 6 2 年国际 铅锌组织开发出了z a l 2 合金( 含a 1 1 2 ) ，并作为代替铜及其合金制作耐磨零件 的节能材料很快得到了广泛的应用。近年来，新研制和开发了许多性能优良的新 型高强度z a 合金，这些合金以其性能及价格优势，得到了迅猛发展和越来越广 泛的应用“棚。 z a 合金是应用量最大、范围最广的锌基合金之一，其合金成分主要是a 1 、 c u 、g 等，一些新型的z a 合金中加入t i 、稀土等合金元素，以提高各种不同的 性能。z a 合金具有以下优点：1 ) 高强度、高塑性、高耐磨性、低摩擦系数以及无 磁性等特点。2 ) z a 合金的比重比铜合金和黑色金属低，因而它具有较高的比强 度：3 ) z a 合金与大多数铝合金相比，具有较高的抗拉强度、硬度及伸长率；4 ) 与 黄铜相比除具有较高的抗拉强度外，z a 合金还具有良好的摩擦性能、耐磨性能、 良好的切削加工性能及表面精整性能、良好的压密性和可镀性等，可以进行电镀 和阳极化处理：5 ) z a 合金的熔点低，熔化时能耗低，可以降低生产成本；6 ) 锌是 一种储量大、分布广的金属，而且z a 合金可以再生利用，是一种低成本的环保 材料z a 合金可以在大部分的工业领域中取代铜及其合金制造各种工件及模具似 - 帕。如z a 合金可以制作铸塑模、吹塑模、压型模、冲裁模等模具，用z a 合金制 作模具比用钢制作模具可缩短制模周期5 0 7 0 ，降低成本6 0 * , 6 左右；z a 合金可 代替铜制作大型的轴瓦、轴套、滑板及滑块等，可大幅度地降低生产成本；用z a 合金制造各种机械及汽车、拖拉机等的配件，降低成本，提高性能。目前z a 合 金已经在仪表、家电、汽车、机电、模具及造纸机械、起重机械、矿山机械、印 刷机械等行业得到了广泛的应用州。 近年来z a 复合材料也已经成为材料领域研究和发展的重要方向之一z a 合 金复合材料是以纤维状或颗粒状的无机非金属材料为增强相的z a 合金复合材料 相对于z a 合金，它提高和稳定了z a 合金的性能，降低了材料的重量，可满足更 山东大学硕士学位论文 多应用场合的需求“”。 近年来国内外z a 合金的应用量得到迅速增加，据资料“”介绍z a 合金是z n 应用的第二大领域和市场，目前世界上z a 合金的消费量约占世界z n 消费量的2 5 左右。我国的压铸z a 合金生产消费已经具有相当的规模，有越来越多的外资企 业正加入到我国z a 合金的生产行业，z a 合金的需求处于快速生长期。国内目前 还没有权威的z a 合金应用量的统计数字，但国内z a 合金的生成厂家和生产量每 年都在大幅度地增加。据不完全统计，1 9 9 1 - - 1 9 9 8 年间，我国的z a 合金年产量 以9 9 8 的速度递增，1 9 9 9 - - 2 0 0 0 年间，我国的年消费量年均增长1 7 5 ，1 9 9 9 年的实际消费量已经超过了美国，达到2 3 5 万吨。目前国内z a 合金年供应量在 2 5 万吨左右，其中国内生产约占5 8 ，进口约占4 2 ，预计未来我国的z a 合金 市场还将继续扩大。 在z a 合金应用和开发过程中，亟待解决的问题是如何用先进、经济的方法 解决生产和使用过程中z a 合金的连接及修复( 如图1 - 1 、图1 - 2 ) 。首先，一些 工件有时需要采用连接成型；其次，一些工件在铸造过程中，很容易由于产生的 缩孔、疏松、夹杂、裂纹等表面缺陷或内部缺陷而使工件报废，如果采用重熔的 方法再重新制造，不仅要大幅度地增加生产成本，还会延长生产周期，降低产品 的竞争力，如果用焊接或钎焊的方法进行优质的修复，不仅成本低，而且可缩短 生产周期；此外，大型z a 合金工件在使用过程中，由于磨损、腐蚀等原因会缩 短工件的使用寿命，从而造成大量的工件报废，若能够用焊接或钎焊的方法修复 再制造，变废为宝，不仅可节约能源，降低生产成本，而且会提高对z a 合金工件 的利用率。 2 图卜1z a 合金小型模具焊接图 f i g 1 - 1w e l d i n gd r a w i n go f z aa l l o ym o l d 山东大学硕士学位论文 图1 - 2 z a 合金轴瓦 f i g1 - 2a x l e b u s h o f z a a l l o y z a 合金的连接性较差，在焊接和钎焊过程中会遇到一些技术难题。首先如何 控制锌的蒸发。锌的蒸发不仅影响焊缝的化学成分，焊接接头的组织和性能等， 而且锌蒸汽对人体健康也不利。z a 合金的主要成分是锌、铝、铜、镁等，其中锌 的熔点和沸点较低( 沸点为9 0 6 ) ，z a 合金中锌的含量在6 5 以上，熔化焊时， 热源温度很高，如t i g 焊的电弧温度高于5 0 0 0 ( 2 ，氧一乙炔中性焰的焰心温度在 3 2 0 0 左右，如采用熔焊z a 合金，连接过程中锌的蒸发是不可避免的，因此z a 合金连接控制锌的蒸发成为z a 合金连接最难解决的关键问题。其次如何去除金 属表面的氧化膜。z a 合金中含有较活泼的a 1 、m g 、c u 等合金元素，易在金属表 面形成氧化膜，熔焊或钎焊时较难去除，易造成未熔合、气孔、夹杂、裂纹及未 钎着或未钎透等缺陷。而且z a 合金的高温强度低，从固态到液态无颜色变化， 焊接时很容易产生塌陷，难以获得高质量的焊缝。 正因为z a 合金的连接性差，连接难度大，对z a 合金进行连接工艺研究并应 用到实际生产中存在许多困难，本论文将对此进行研究和探讨，以解决z a 合金 连接和连接材料研发的技术问题，为扩大z a 合金的工程应用和再制造提供理论 依据和技术支持。 山东大学硕士学位论文 1 2 z a 合金及其研究现状 1 2 1 锌及其合金 1 锌的性质及用途锌是一种具有金属光泽的银白色、熔点和沸点较低的金 属，其主要物理性质及力学性能见表1 1 1 l , t a l 表1 - i 锌的主要物理性质 t a b l ei - 1m a j np h y s i c a lp i q m o f p u r ez i n c 密度导热率 线膨胀系 比热 p ( 0 ) ( 2 0 )熔点沸点1 0 2 i 数l i 田 k j ( k g - k ) n q m 1 0 s k g m s ( m k )( m k ) 7 1 3 34 1 9 4 69 0 60 3 8 4 53 4 51 1 2 23 9 7 锌是同素异晶型金属，在低于1 7 0 时，以”相形式存在，在1 7 0 3 3 0 c 范围内以p 相形式存在，在3 3 0 c 4 1 9 c 以c t 相形式存在t l 相具有密排六方晶格 结构，a = 2 6 6 5 1 0 - o m ，c = 4 9 4 7 x1 0 。1 。m ，c a = 1 8 5 6 ，比理想密排六方晶格的轴 比( a c = 1 6 3 3 ) 略大些。每个锌原子周围有1 2 个邻位原子，其中六个原子的间 距为0 2 6 6 5 n m ，另外六个原子间距为0 2 9 0 7 n m ，在六方基面中，原子之间的结 合力要比层间强，这就是锌各向异性的原因“。，室温下锌通常形成六面体晶体。 锌的主要用途是镀锌，也是黄铜、白铜、青铜的主要合金元素。同时还大量 应用在印刷和电池、海船和锅炉的防蚀等方面。随着科学技术的发展，锌的用途 也越来越广。自上世纪四十年代以来，由于锌基合金的研究和开发，锌的应用量 越来越大。 2 锌基合金及其应用纯锌的强度、塑性都较低，硬度高而脆，合金化后机 械性能、硬度和湿耐磨性都比较好g 但伸长率、冲击韧性和耐热性仍较差。锌基 合金的流动性好，浇注温度低，很适合于压铸，制作各种壳体零件。由于锌基合 金具有一定的耐磨性，在润滑良好的情况时，可以代替锡青铜和巴氏合金做一般 机械设备的轴承、轴套、压板等。 4 山东大学硕士学位论文 许多合金元素都能够和锌形成化合物或固溶体，锌基合金中的主要合金元素 是：铝、铜、镁、锰、硅、钛和稀土等 铝：铝是z a 合金中的主要金属元素之一铝在锌中的溶解度不大，共晶温 度的极限溶解度( 3 3 2 ) 为1 0 2 ，室温只有0 0 5 微量的铝( 0 0 2 ) 能 够减轻锌的氧化倾向，提高铸锭的表面质量；0 1 的铝就能抑制脆性f e z r k 化合 物的形成，降低其脆性；微量铝还能够细化晶粒和提高强度富铝固溶体d 相是 强度、硬度较高的相，因此增加铝含量，能提高合金的强度、硬度和冲击韧性。 铝含量再增加，强度还可以进一步提高，但结晶温度随之增加，铸造性能下降， 合金抗粘着磨损的能力下降。铝含量4 5 时的综合性能最好，一般控制铝含量 不超过3 0 铜：在锌基合金中，铜是强化元素，它能固溶a 相，可以形成金属间化合物 ( c u a l ：，c u a l 挪g 等) ，锌中的铜含量超过溶解度极限时会形成富铜相。随着合金 中含量的增加，合金的强度增加。在一定范围内提高铜的含量，有利于提高合金 的韧性，但过多增加铜含量对改善合金的韧性不再明显，另外过高的含铜量会增 加合金的热烈倾向 镁：镁在纯锌中的溶解度很小，在2 7 5 时不到0 o l w t ，镁在锌基合金中 的溶解度也不超过0 0 2 w t 。当其含量较高时，在组织中形成m g z n 2 化合物，分 布于晶界镁的加入起到固溶强化、提高耐磨性能和力学性能的作用；同时，镁还 能防止晶闻腐蚀、延缓锌铝合金的共析转变、降低合金的阻尼性能等。但镁会降 低合金的塑性、韧性，因此不宜过量。 锰：是改善组织和性能的有效元素。锰在合金中可溶于固溶体，也可形 成金属间化合物，以硬质点相的形式存在于晶界及其附近，强化基体，提高合金 的力学性能、硬度及耐磨性，但过量的锰会降低合金的塑性和流动性，因此加入 量受到限制。 硅：锌基合金中硅的存在，能防止合金与耦合件的粘着。加入硅的目的，主 要是为了提高合金的耐粘着磨损能力。 钛：钛是常用的晶粒细化剂，加入后能形成高熔点的化合物如t i a l 。等， 可作为外来晶核促使结晶，使晶粒细化。 稀土：稀土元素一般根据其特征可分为轻稀土和重稀土两种。锌基合金中常 山东大学硕士学位论文 用的稀土元素是镧、铈、镨、钕和钇等。稀土性质活泼，加入合金中能和c u 、 z n 及合金中的杂质f e 等作用生成高熔点的金属问化合物，成为非均质晶粒，细 化基体组织。钛及稀土的加入可补偿m n 、s i 对合金塑性的影响，改善合金的塑 性及韧性m “”。 锌基合金的分类方法有多种，如可以按合金成分、加工方式和性能用途等进 行分类。按合金成分锌基合金可分为四类，即z n a 1 系( z a 合金) 、z n c u 系、 z n p b 系和z n p b a l 系合金。z n a l 系即z a 合金，是锌基合金中应用最广 泛的一种锌基合金。 z a 合金的分类并没有统一的方法，由于铝是z a 合金的主要合金元素，因此 有的资料是根据其含铝量来进行分类的，根据其含铝量的不同，一般可分为亚共 晶型( 含铝4 左右) 、过共晶型( 含铝1 0 0 左右) 、包晶型( 含铝2 7 9 6 左右) 三类 f l i l 阳 ， o 根据国家标准g b t1 1 7 5 - - 1 9 9 7 及美国标准a s t mb 7 9 1 - - 1 9 9 1 的规定，z n - - a 1 合金的代号可以用字母z 、a ( 它们分别是锌、铝的化学元素符号的第一个字 母) 及其后的阿拉伯数字表示，其后的第一个数字表示铝的平均含量的修约化整 值，末尾的数字表示铜的平均含量的修约化整值数字，两个数字之间用一横线( 一 字节长) 隔开，如z a 4 1 ，表示平均含铝量为4 ，含铜量为1 ；z a 2 7 2 表 示含铝量为2 7 ，含铜量为2 。当合金中铜的平均含量的修约化整值只有一种 2 时，可简写成z a 4 和z a 2 7 “”町。目前应用较广的是过共晶型和包晶型的z a 合 金，如z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 等。 1 2 2z 合金研究现状 随着铜蕴含量的日益减少，人们不得不研究和开发一些新型材料以替代铜及 其合金。1 9 6 2 年国际铅锌组织开发出了z a l 2 合金，作为铜及其合金替代节能材 料制作耐磨零件。7 0 年代后期n o r a n d a 研究中心相继开发出z a 4 、z a 8 、z a 2 7 合金，n e wj e r s e yz i n cc o l t d 和s t j o em i n e r a lc o 公司研制和开发出后来的 z a 2 2 合金，组成了新型系列z a 合金( z a 4 、z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 等) ，其目的是 为了发挥z a 合金所具有的价格较低、力学性能及铸造性能优良、机械加工性能 较好、耐磨性好、熔铸工艺简便、节省能源并减轻污染等优点，部分代替铜合金、 6 山东大学硕士学位论文 铝合金及铸铁等传统铸造合金。这类合金除用于重力铸造外，还开始用于压铸。 近年来，利用z a 合金具有内摩擦大、能吸收震动能量的特性，研制出了减震z a 合金，而且在国外已经开始商业化生产 美国在z a 合金研究和生产方面一直处于世界的前列。美国最大的z a 合金 生产企业- - e a s t a l l o y 公司，在上世纪3 0 年代最先研究和开发出压铸z a m a k ( 即 办一朋一m a k o 印盱) 合金，很快投放市场并得到了广泛的应用，其中z a m a k 3 是应用最广的压铸合金之一，其他的z a m a k 合金包括z a m a k 2 、z m a k 5 、 z a m a k 7 ，由于a i 、c u 、m g 和n i 等合金元素的含量不同，因此具有不同的力 学和物理性能，可以满足不同的使用要求。近年来美国研究和开发出a c u z i n c 合金，这种合金中含有较多的c u ，目前有两种a c u z i n c 合金：a c u z i n c 5 ( 5 c u ) 和a c u z i n c ( 1 0 c a ) 。这种合金具有较高的耐磨性和抗蠕变性，因此被广 泛应用于汽车、摩托车等行业。 日本自上世纪五十年代开始对模具用z a 合金进行研究和开发，研制出使用 寿命长和制模精度高的z a 合金，克服了z a 合金模具使用寿命短、制模精度不 高的缺点，日本标准定名为z a s 合金这种合金具有较高的强度、硬度；良好 的耐磨性；较好的塑性、韧性等，被广泛应用于汽车、家电等行业。目前日本已 成为世界上z a 合金消费量最高的国家之一 为满足对z a 合金使用性能的更高要求，近年来以z a 合金为基的复合材料 的研究得到了越来越多的关注和重视。研究发现，在z a 合金中加入陶瓷粒子和 纤维制成的复合材料，不仅能明显改善高温力学性能，而且还可进一步提高耐磨 性，降低材料的重量等，但z a 合金复合材料目前处于试验研究阶段，还没有应 用于生产 在我国，锌是非铁金属工业中重点发展的主要金属材料之一。由于我国的锌 资源丰富，因此，用z a 合金取代铜合金和铝合金，在节约能源、降低原材料成 本以及合理使用本国资源方面具有重要的意义。我国从上世纪九十年代开始对 z a 合金进行研究，主要是高强度z a 合金的研究、开发和应用研究。西南交通 大学及山东科学研究院材料研究所等单位对新型高强度z a 合金进行了研究和开 发，主要有z x l 合金( 主要成分接近于z a l 2 和z a 2 0 ) 、新型z a 合金( 主要成 分接近于z a 8 、z a l 0 及z a 2 7 、z a 3 0 等) 山东省冶金研究总院研究的新型模用 山东大学硕士学位论文 z a 合金，是在z a 合金中加入c u 、t i 、m g 等合金元素，提高了合金的强度、耐 磨性及耐腐蚀性，该材料可应用于冲裁模、冲压模、注塑模等，大大缩短了制模 周期，降低了制模成本，特别适合于小批量、产品试制及更新快的产品。我国的 z a 合金研究虽然起步较晚，但在高强度z a 合金、模具z a 合金等的研究方面仍 处于国际先进水平目前，在我国z a 合金的应用量及应用范围在不断扩大，材 料工作者不断研究和开发新型z a 合金，以满足各种不同性能的需要魄“- 1 。删。 1 3 z a 合金熔化焊及接头组织和性能的研究 早期的z a 合金主要用于代替锡青铜或巴氏合金制造轴承、轴瓦等零件，很 少需要进行连接。随着各种不同性能新型z a 合金的开发和应用，在很多情况下 需要对铸件或锻件进行连接，另外在薄板成型和压模生产方面，连接技术也是必 不可少的m ，。 z a 合金中含有活泼金属a l ，其表面氧化膜中含有熔点较高的a 1 2 0 3 ，焊接时 很容易产生气孔、夹渣、裂纹等缺陷。因此有些z n c u t i 合金的焊接方法、 焊接材料、工艺规范等并不适合于z a 合金的焊接。 国内西南交通大学晏传鹏、莫斌等用氧一乙炔气焊不使用焊剂的方法对新型 锌铝合金z x l 一3 、4 进行了焊补工艺试验研究。采用同质填充材料，在铸件上开 梯形槽模拟铸造缺陷，然后进行焊补。焊前2 0 0 2 5 0 c 预热；采用中性焰或弱碳 化焰；左焊法，等工艺措施，获得了熔合良好的焊接接头。 洛阳工学院张柯柯等人对气焊剂及工艺进行了研究，认为气焊时使用焊剂可 显著改善焊接工艺性。同时还对z a 2 7 合金的气焊焊缝的耐磨性能进行了研究， 结果表明随着熔敷金属中含a l 量的增加，耐磨性增加眦删。 近年来，人们对z a 合金焊接接头组织及性能的研究给予了极大的关注，并 借助于焊接热模拟技术对z a 合金熔化焊焊接接头热影响区进行了热模拟。 洛阳工学院的张柯柯等人还对z a l 2 合金气焊焊接头( 采用z a 8 焊丝) 组织 进行大量扫描电镜观察，认为z a 合金熔化焊接头应由以下具有不同特点的特征 区域构成，并分别用术语“焊缝”、“熔合区”、“热影响区( f l a z ) ”、“母材”表示。 除眦z 与母材金属是连续过渡难以找到明显的界限外，其它各区间边界明显，但 各区的具体划分没有进一步的分析研究。研究认为，室温下焊接接头各区域组织 8 山东大学硕士学位论文 均由a 枝晶和( a + b ) 共晶组成。d 枝晶内部共析组织的形貌特征一般为中心 部分呈层片状，靠近a 相边缘部分的为颗粒状；( d + b ) 共晶为b 基底上分布着 层片状或小岛状的q 相。焊接接头各区域具有与母材明显不同的特征：( 1 ) 熔合 区共晶显著细化及a 枝晶方向性长大，其原因是由于熔化焊局部加热时溶池体积 小，结晶时的冷却速度明显高于金属型、砂型铸造的母材。( 2 ) 焊缝中a 枝晶尺 寸减小，( n + b ) 共晶细化。( 3 ) 由于z n 及合金元素的蒸发和氧化，焊缝中a 相和( a + b ) 共晶组织的相对量与母材相比有较大的差别嘲。 洛阳工学院的涂益民等人根据铝含量小于2 2 的z a 合金具有与铁碳合金( 碳 的质量分数 2 1 1 ) 类似的相图的观点，借助于以前主要用于研究高熔点钢铁材 料的h a z 组织与性能的焊接热模拟方法，对低熔点有色合金z a l 2 气焊、t i g 焊焊 接接头的h a z 的不同部位进行了热模拟。采用热电偶实测法和有限元分析的方法， 对z a 合金气焊、t i g 焊焊接接头h a z 不同部位( 测点) 热循环参数定义，并结合 z a 合金相图确定了四个热循环参数，即峰值温度t i 、加热速度“、高温停留时间 t 。冷却速度。因z a 合金具有比c u 合金高的电阻率，因此可借助于电阻加热 式焊接热模拟方法进行焊接接头h a z 的组织研究。在不考虑应力、应变影响，按 模拟试样和实际焊接姒z 对应( 测点) 的显微组织和硬度基本一致的原则，采用 1 2 r e x l 2 m i n x 7 5 r a m 试样，据以确定热循环参数。采用分段加热的方式在d m - 1 0 0 0 a 型热模拟试验机上进行z a l 2 合金气焊、t i g 焊接头h a z 加热峰值温度t , = 3 7 0 、 3 0 5 的区域( 测点) 的显微组织模拟。结果在热模拟试样上获得约8 m m 的均温区 域，即在该区域内获得与实际h a z 对应的部位基本接近的组织，较低倍下n 、( o + b ) 的形态尺寸及所占的比例基本相似。由于受热影响而发生的初生的a 枝晶内 的共析组织( 高倍下) 基本接近；两者硬度也基本相当，研究认为用焊接热模拟 方法研究新型z a 合金熔化焊接头的h a z 组织与性能的关系是可行的 对于z a 合金的焊接，由于焊接是不均匀的加热和冷却过程，焊接时的热源 温度又都高于锌的沸点，因此焊接时很容易产生锌的蒸发，进而影响到焊接接头 的组织和性能，但以前对z a 合金连接的研究都没有涉及这方面的内容。 目前z a 合金熔化焊的许多技术和理论问题仍有待于进一步的研究和探讨， 如熔化焊接工艺特点；焊缝的结晶特点及与对组织和性能的影响；熔合区的元素 的扩散及组织转变；焊接传热及热循环特点；焊剂的作用机理及锌的蒸发对接头 9 山东大学硕士学位论文 组织和性能的影响等，都未见相关的报道。 1 4 本课题研究的目的和主要内容 本课题的主要目的是通过对z a 合金t i g 焊焊剂对焊接电弧和焊缝成型的影 响及焊接接头组织和性能的研究，深入探讨z a 舍金连接的新技术和相关理论问 题，解决z a 合金应用中的连接及再制造问题，为z a 合金的连接提供新的理论依 据，为z a 合金的推广应用提供技术支撑。 1z 矗合金t i g 焊剂作用机理的研究：通过研究焊剂在焊接过程中对焊接电 弧、焊接接头组织及成分、冶金反应等的影响，初步揭示z a 合金t i g 焊焊剂在 焊接过程中的作用机理。 2z a 合金t i g 接头微观组织特征研究：利用金属结品及固态相交理论，借 助于光学显微镜和扫描电镜对t i g 焊接时非平衡条件下焊接接头的微观组织结构 及特征进行研究。 3z a 合金t i g 焊接头的性能研究：根据国家标准对焊接接头的力学性能和 腐蚀性能进行分析。 1 0 山东大学硕士学位论文 2 1 试验母材 第二章试验材料及方法 试验所用母材为山东省冶金研究院新研制出的一种高强度z a 合金，其主要 合金元素为a l 、c u 、m g 、m 1 1 等，还有少量的t i 、b 、稀土等元素，其化学成分、 力学性能及物理性能分别见表2 - 1 和表2 2 。1 。由于添加了合金元素m g 、t i 、 稀土等，其焊接性要比一般的z a 8 、z a l 2 、z a 2 7 等z a 合金差，焊接时的难度也 较大。母材为铸件，根据不同试验的要求铸成三种尺寸的试样，尺寸分别为1 4 0 n l n x1 6 0 珊x 8 m m 、1 2 0 n u n x1 4 0 m x 4 n u n 、8 0 n h n x 4 0 1 4 n n 。 表2 - 1 新型z a 合金的化学成分( w t s ) 和力学性能 t a b l e2 - 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a lp q 砖m o f n e w t y p ez aa l l o y 化学成分( w t ) a 1c ug n m g s i it i 、r e 、c r l z n 8 1 03 5o 2 加5o 0 2 加0 5 0 2 1 0i 少量 i 余量 力学性能 抗拉强度蕊伸长率硬度冲击韧性抗压强度相对压缩率 m ，ah b j c 矿 a l p a 2 6 2 5 3 41 4 63 21 0 7 74 2 表2 _ 2 新型z a 合金的物理性能 t a b l e 2 - 2p h y s i c a lp r o p e 而o f n e w t y 】p e z a a l l o y 凝固温度线膨胀系数口线收缩率密度热导率 1 0 。k 一1 1 0 3 k g m 一 w ( r a n ) 一1 3 9 5 3 7 82 7 2o 8 1 o 9 06 3 21 1 5 6 该合金由于加入了基体强化、变质、耐蚀和组织稳定等元素，因此它除了具 有和锌基合金同样的熔点低、铸造性能好等优点外，还具有较高的强度、较好的 塑性和韧性；高的耐蚀性、硬度、耐磨性及尺寸稳定性等优点。新型z a 合金的 布氏硬度大于1 4 0 h b ，可作为冲压模具和塑料模具等模具用材，和钢模相比可缩 短制模周期5 0 8 0 ，模具成本降低6 0 以上，制模精度高，特别适合于汽车、 山东大学硕士学位论文 电机、轻工、仪表等行业的新产品试制及中、小批量生产，可为及时占领或争夺 国内外市场，提高产品的竞争力发挥重要的作用。另外该合金也可作为制造轴承、 轴瓦、涡轮等机械零件的用材。 新型z a 合金中含有较多的合金元素，因此该合金的组织较复杂，其铸造室 温组织主要有块状的r i 相，在共晶体上分布着枝晶状的初生b 相，枝晶周围是层 片状的d + n 类珠光体组织，看起来像盛开的菊花，共晶体为二元共晶b + e 和 三元共晶r l + b + c & i i , 1 3 9 其显微组织形态见图2 1 。 填充材料采用和母材同质的新型z a 合金，用砂型铸成尺寸为巾4 珊3 0 0 的 焊棒，也可金属型铸造。 图2 - 1 新型z a 合金的显微组织形态 f i g , 2 - i m i c r o s = 扛- u c t m r ea n dm o r p h o l o g yo f n e wt y p ez a a l l o y 2 2 试验用焊剂 添加焊剂的主要目的是提高z a 合金的t i g 焊接性能，保证获得成型美观的 焊缝和性能优良的焊接接头，因此焊剂应能够在焊接时有效地去除表面氧化膜和 保护焊接熔池，防止锌的蒸发。由此在确定z a 合金焊剂的成分时首先要考虑两 个方面：即能够有效去除表面氧化膜和防止锌的蒸发。根据t i g 焊接的特点，焊 剂除具有合适的熔点、较好的流动性、优良的保护效果和良好的去膜效果外，还 应具有使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成型美观等特点。 z a 合金中含有较多的合金元素a l ，从图2 2 可以看出表面氧化膜中含有熔 点较高且难以去除的a 1 如，另外两种氧化物为m g a i ：0 4 和z n a l 2 0 ，它们是m g o 、 山东大学硕士学位论文 a l ：0 3 和z n 0 继续反应的产物，具有熔点高( 如m g a l ：o 的熔点是2 1 3 0 ) ，比重较 低( 如m g a l 舢的比重为3 6 4 ( g c m 3 ) ) 的特点z a 合金氧化膜成分复杂，且较难 去除，在确定z a 合金焊剂组成时，除要考虑到高熔点氧化膜的去除外，还要考 虑z a 合金的性能特点。焊剂主要由基本组分、去膜剂、活性剂等组成。基本组 分的主要作用是使焊剂具有需要的熔点；能够溶解组分和焊剂作用产物；能够铺 展形成致密的液膜、覆盖在母材和熔池表面，保护熔池，防止空气的有害作用。 去膜剂一般选用氟化物，它起到溶解母材表面氧化膜的作用啪一嘲。各种不同氟化 物对不同金属氧化物的溶解能力是不同的，因此应依照氧化膜的成分、性能及焊 接方法来确定 n 啪o o o 重舯 舢 t o 口 口嚣4 0黝 x a x i 0 髓口e 图2 - 2z a 合金试样表面x 射线衍射图 f i g 2 - 2x - r a y d i f f r a c t i o ng r a m o f z a a l l o ys i l 血 根据z a 合金的成分和表面氧化膜确定焊剂主要由氯化物k c i 、l i c i 、z n c l 。和氟 化物i ( f 组成，其中l i c l 和k c i 是主要组元。l i c l 的加入可以提高焊剂的活性， 降低焊剂的粘度和熔点，但l i c i 价格较高，加入量太多会增加焊剂成本。k c i 的加入主要是使焊剂具有较小的表面张力和合适的熔点z n c l ：既是基本组分又 是活性物质，z n c l ：呈白色，熔点为3 1 8 ，易溶于水和酒精，吸水性极强。敞放 空气中即迅速与空气中的水气结合形成水溶液，钎焊时z n c l ：常以水溶液形式作 山东大学硕士学位论文 表2 3 焊剂主要组分的物理性能 t a b l e2 - 3t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so f m a i nf l u x 名称化学分子式比重p ( g c m 。)熔点1 沸点吖 氯化锌z n c l 23 1 87 3 0 氯化锂 l i c l2 6 1 3 氯化钾 k c l7 6 8 氟化钾 k f8 5 71 5 0 5 表2 _ 4t i g 焊剂的主要成分及熔点 t a b l e 2 - 4 c o m p o s i t i o nm a dm e l t i n gp o i n to f t i gf l u x e s 主要成分( v r t )t k c ll i c lk fz n c l ， 3 2 6 3 3 5 5 8 3 5 4 01 5 2 0l o 1 52 5 4 0 图2 - 3t i g 焊剂的1 3 s c 曲线 f i g 2 - 3 t h ed s cc u r v eo f t i of l u x 为钎剂单独使用，以去除金属表面氧化膜。z n c l ：的加入还可以降低焊剂的熔点， 提高其流动性，增加焊剂的去膜效果并补充金属锌。氟化物的加入主要是提高焊 剂溶解氧化膜的能力，提高其去除氧化膜特别是a 1 2 0 3 的能力，但加入量太多会 提高焊剂的熔点和粘度，影响焊接质量。根据z a 合金t i g 焊及生成的氧化膜成 分，决定选用k f 作为焊剂的去膜剂，k f 的熔点和沸点较高，分别为8 5 7 ，沸 点为1 5 0 5 。焊剂主要组元的物理性能见表2 - 3 。z a 合金t i g 焊剂的成分见表 f 4 山东大学硕士学位论文 2 - 4 ，焊剂的d s c 曲线见图2 - 3 ，从图中可以看出，焊剂的熔点为3 2 6 3 3 5 5 8 ， 低于母材的熔点。 2 3 试验方法 采用t i g 焊接方法，并加入填充金属和焊剂t i g ( 钨极氩弧焊) 能量集中， 热影响区小，焊接变形及应力小，可焊接的材料范围大，特别适合于焊接化学性 质比较活泼的金属及其合金，如铝、镁、铜及其合金。氩气能够有效的隔绝空气， 本身又不溶于金属，不和金属发生反应，因此其保护性能优良钨极电弧稳定， 即使在很小的焊接电流下仍可稳定燃烧，氩弧的温度高，再加上阴极破碎作用， 在焊接铝及其合金时，可以不用焊剂，而通过电弧去除表面氧化膜。t i g 和m i g 焊相比，电弧功率小，热输入少，可减少锌的蒸发。另外t i g 在生产中应用广， 再加上t i g 焊的热源和填充焊丝可分别控制，因此热输入容易控制，可进行全位 置的焊接，同时对焊丝的尺寸要求不高，容易在生产中推广应用，因此选择t i g 焊接方法进行z a 合金的熔化焊研究。 直流t i g 焊时，阳极的发热量远大于阴极，所以用直流正接焊接时，作为阴 极的钨极因为发热量少，不易过热，同样大小直径的钨极可以采用较大的电流。 作为正极的工件因发热量大，熔深大，生产率高。而且钨极作为阴极，热电子发 射能力强，电弧稳定而集中，因此大多数金属宜采用直流正接。直流反接时，由 于同样大小直径的钨极允许使用的电流要小得多，且熔深浅而宽，一般不推荐采 用。但直流反接t i g 焊时，由于金属表面氧化膜的逸出功小，易发射电子，阴极 斑点总是优先在氧化膜处形成，在质量很大的氩正离子的高速撞击下，表面氧化 膜能够破坏、分解，而被清除掉，有“阴极清理作用”( 或称为“阴极雾化作用”) ， 所以特别适合于含有致密、难熔表面膜的金属的焊接对于交流t i g 焊，则可以 同时兼顾阴极清理作用和两极发热的合理分配。交流负半波时，有阴极清理作用， 正半波时，阴极因发热低而不易熔化，同样大小的阴极可以比直流反接的许用电 流大的多 对于z a 合金，由于其表面氧化膜较复杂，一方面希望借助于阴极清理作用 协助去除表面氧化膜，另一方面又不希望热输入太高，为防止锌的蒸发，选用交 流或直流反接t i g 焊并添加焊剂。z a 合金不宜采用直流正接，因为工件接正