3003鋁合金與1Cr18Ni9Ti不銹鋼接觸反應釬焊接頭組織和性能

陳大林，俞偉元，宋學平

（1.蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730060；2.蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料重點實驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

奧氏體不銹鋼[1-2]1Cr18Ni9Ti在空氣、水蒸汽及多種酸、堿、鹽的水溶液具有良好的化學穩定性，在高溫和低溫下均具有優良的塑韌性、冷熱加工性能和耐腐蝕性能。3003鋁合金[3]為Al-Mn系合金，是應用最廣的一種防銹鋁，強度不高，導熱性和耐腐蝕性良好。3003鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼復合結構耐蝕性和導熱性較好，在換熱器生產中應用前景良好[4-7]。在此對3003鋁合金和1Cr18Ni9Ti不銹鋼接觸反應釬焊接頭進行分析討論。

接觸反應釬焊是借助于某些異種金屬能形成低熔點共晶體或低熔點固溶體的原理，在接觸界面良好情況下，加熱至高于共晶體或低熔點固溶體的溫度條件下，依靠金屬間原子的互擴散作用在接觸界面處形成低熔點共晶或固溶體反應液態金屬層，隨后冷卻凝固，從而實現兩種金屬的連接。

1 實驗材料和方法

1.1 實驗材料

用線切割分別將3003鋁板和1Cr18Ni9Ti不銹鋼板加工成70 mm×25 mm×2 mm的試樣，共3組。

1.2 實驗方法

用銼刀去除3003鋁板表面氧化膜，將其置于丙酮中，采用超聲波清洗10 min后快速吹干，清理表面的油污等雜物。由于1Cr18Ni9Ti表面鈍化，采用堿液清洗后鹽酸（濃度10%）活化，然后分別進行電鍍Ni層（厚5μm）、Cu層（厚20μm）；接觸反應釬焊示意如圖1所示，Mg粉的量按Al74.5%-Cu17.2%-Mg 8.3%三元共晶比例計算為0.01 g/cm2。釬焊參數為：溫度560℃，保溫時間15 min，焊接壓力0.1 MPa。力學性能試驗如圖2所示，采用液壓式萬能材料試驗機在25℃室溫下以0.1mm/s的加載速度剪切試樣。

圖1 接觸反應釬焊示意

圖2 剪切試驗示意

在微觀組織分析時橫向切取釬焊試樣接頭，分別采用 400#、600#、800#、1500# 水砂紙磨光，用清水進行拋光處理。采用場發射掃描電子顯微鏡觀察和分析焊縫接頭的微觀組織，通過掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）對3003鋁合金和1Cr18Ni9T不銹鋼釬焊接頭的顯微組織進行觀察與分析。

2 試驗結果及分析

2.1 力學性能測試結果

在釬焊溫度為560℃、0.1 MPa焊接壓力下保溫時間15 min進行接觸反應釬焊，采用萬能材料試驗機在室溫25℃以0.1 mm/s速度加載所得的剪切試樣直至試樣斷裂，斷裂位置為釬焊接頭。經計算接頭最大剪切強度23.1MPa，平均剪切強度21.6MPa。

圖3 力學試驗結果

2.2 釬焊接頭組織形貌

接觸反應釬焊在焊接溫度560℃、壓力0.1 MPa下保溫15 min接頭的微觀組織形貌如圖4所示。整個接頭區域分為3003鋁合金、釬料區、不銹鋼3個區域，釬料區厚度約為50 μm，鋪展均勻，釬料區與兩側金屬結合緊密，無明顯的焊接缺陷。焊縫在鋁合金側生成大量的共晶組織，證明接觸反應過程進行的十分充分，且有部分鋁合金基材發生溶蝕，釬料滲入鋁合金基體。不銹鋼側界面因電鍍的原因有明顯的灰色與灰白色的條帶狀分層，釬料區與不銹鋼基體邊緣參差不齊，發生溶蝕。由此可知，3003鋁合金和不銹鋼在此工藝參數下進行了較為充分的接觸反應釬焊，釬料能充分潤濕鋪展，形成結合緊密無缺陷的釬縫。

圖4 釬焊接頭微觀形貌

2.3 接頭界面組織與成分

（1）接頭界面線掃描分析。

接頭界面各元素能譜線掃描照片如圖5所示。釬焊縫由3003鋁合金/釬料區結合界面、釬料區/1Cr18Ni9Ti不銹鋼結合界面2個結合界面組成。整個釬料區域中的 Fe、Al、Cu、Ni、Mg 原子發生明顯的擴散，其中以Al原子擴散最為顯著，擴散貫穿整個焊縫區；Fe原子的分布也有一定濃度梯度，在靠近不銹鋼基體組織處濃度最高，遠離不銹鋼處濃度逐漸降低，有明顯的擴散現象；Mg原子更多分布在焊縫區域，向兩側金屬擴散并不明顯，鋼側幾乎沒有Mg原子；Cu和Ni原子主要分布在整個釬料區。

圖5 釬焊接頭的線掃描

（2）接頭界面點掃描分析。

釬焊接頭結合界面如圖6所示。3003鋁合金和不銹鋼以Mg、Cu為中間反應層進行接觸反應釬焊，實現兩者之間的有效連接，焊縫各部分的組織結合界面緊密，兩側均發生溶蝕，結合界面有明顯的冶金結合特征，整個焊縫無明顯缺陷。采用EDS分析圖6中組織特征比較明顯的6個特征點，6個特征點的能譜分析結果如表1所示。

圖6 焊縫接頭結合界面

由表1可知，點1含有少量的Cu、Mg原子及大量的Al原子，表明點1是鋁基體，伴有少量的Cu、Mg原子擴散進入鋁基體；點2中Al、Cu、Mg原子之比約為 4∶1∶1，結合相圖，該組織為 Al-Cu-Mg 三元共晶組織；點 3 中 Al、Cu、Ni原子之比約為 3∶1∶1，該組織應為Al2Cu、Al3Ni2組織混合物；點4中含有大量的Al，同并伴有一定量的 Ni、Fe、Cu、Mg，該處組織主要為鋁的固溶體；點5即灰白色的帶狀組織含有大量的Al及一定量的Cu、Fe，該組織應為Al-Fe、Al-Cu金屬間化合物組成；點 6中 Al、Fe原子之比約為 3∶1，可見該相為FeAl3。由此可知，點5與點6兩區域主要為脆性金屬間化合物，其寬度約為20μm。

表1 接頭結合界面點分析結果 %

3 結論

（1）利用Al-Cu-Mg能形成三元共晶原理，分別在 1Cr18Ni9Ti上電鍍 Ni層（5μm）、Cu層（20μm），Mg的量為0.01 g/cm2。在釬焊溫度為560℃、0.1MPa焊接壓力、保溫時間為15 min的條件下進行接觸反應釬焊，實現兩者的有效連接。

（2）對釬焊接頭進行抗剪試驗，經計算接頭最大剪切強度23.1 MPa，平均剪切強度可達21.6 MPa。

（3）釬料區Al原子有明顯的擴散，并形成Al-Mg、Al-Cu、Al-Fe系等多種金屬間化合物，其厚度為 20 μm。

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