铝/钢异种金属电弧辅助激光对接熔钎焊工艺试验研究

摘要

铝/钢熔钎焊连接是目前异种金属连接领域的研究热点和难点问题，但现阶段的研究主要集中在铝/钢搭接焊上，对对接熔钎焊研究较少，原因之一是：采用单一热源很难在高效率焊接下获得良好机械性能的铝/钢熔钎焊对接接头。现有的研究表明：铝/钢异种金属熔钎焊接头的性能受接头化合物层厚度和接头铺展特性的影响较大，为了避免金属间化合物层过度增厚并获得铺展性好的熔钎焊接头，本文在激光熔钎焊的基础下，提出了电弧辅助激光熔钎焊方法，即采用小电流电弧跟随大功率激光束沿对接位置同步移动进行焊接，这种焊接方法通过改变激光焊的热分布，增加了较低温度下熔化的液态金属润湿铺展时间，显著提高了接头的铺展宽度，同时，冷却时间的延长也降低了焊接缺陷产生的倾向，当采用适当的焊接工艺参数，可以获得成形连续、美观，接头性能优良的熔钎焊焊缝。
　　本文选用适宜的合金粉末，采用预制涂粉的方法对5A06铝合金和镀锌钢板进行对接熔钎焊试验，分析了激光热输入、电弧电流、热源中心间距等工艺参数对熔钎焊接头成形、铺展宽度和Al-Fe化合物层厚度的影响，对比分析了接头不同位置金属间化合物形态、钎接界面的宽度和接头组织的差异，通过测试接头力学性能，分析工艺参数、界面层组织形态等对熔钎焊对接接头力学性能的影响。
　　研究结果表明：焊接工艺参数对熔钎焊接头铺展宽度和焊缝成形有显著的影响，预留小于0.5mm的间隙和背面填涂钎剂均可增大熔化金属的铺展宽度，熔化金属的铺展宽度随激光热输入和电弧电流的增加而增大；随热源中心间距的增加呈先增大后减小的趋势，填加Al-Si焊丝亦可增大熔化金属的铺展宽度，获得更为连续、美观的焊缝表面形貌。
　　采用SEM和EDS对铝/钢熔钎焊接头的微观组织和形貌进行研究，结果表明：熔钎焊接头中金属间化合物层最厚的区域出现在接头中间位置，其厚度沿着钎接界面由接头中间向两边逐渐减小，沿着钎接界面从接头中间向两边，界面呈锯齿状的Fe2Al5金属间化合物逐渐消失，呈絮状的Fe4Al13化合物变得更加明显。熔钎焊接头出现两个富锌区，分别位于焊缝正面和反面的焊缝区边缘，富锌区是由晶粒粗大的亮灰色块状锌铝共晶组织或树枝状晶体与晶界组成的网状结构，与镀锌钢侧没有明显的扩散层。当焊接参数选择不当时，熔钎焊接头易生成由镀锌层蒸发所形成的气孔。焊接工艺参数对熔钎焊过渡层厚度有显著的影响，随着激光热输入、电弧电流和热源中心间距的增大，金属间化合物层厚度增加，选择适当的焊接工艺参数，可以抑制化合物层的过度增长。
　　对接头硬度分析表明：接头最高硬度出现在金属间化合物层处，高于钢侧和熔焊区的硬度值，由于Mn、Si等元素的存在，导致热影响区硬化，出现钢侧靠近过渡层处的硬度稍高于钢母材的硬度；熔合区靠近过渡层处ɑ-Al中有弥散的Al-Si共晶体和Fe4Al13存在，导致其硬度稍高于铝母材的硬度值。
　　接头力学性能的研究表明：铝合金和镀锌钢的电弧辅助激光熔-钎焊接头具有较高的机械性能，接头抗拉强度最大值达到163MPa，为铝母材强度的74％，是同样参数下激光焊所得对接接头抗拉强度的1.3倍，接头具有较好的塑性和韧性。熔钎焊接头抗拉强度受焊接工艺参数的影响为：随着激光热输入、电弧电流、热源中心间距的增加呈现先增大后减小趋势。采用电弧辅助激光热源实现2mm厚5A06铝合金与1mm厚镀锌钢对接熔钎焊连接的最佳焊接工艺参数为：激光热输入1.2kJ/cm，电弧电流15A，热源中心间距15mm，激光离焦量0mm，电弧弧长4mm，保护气流量10L/min。适当的焊接参数得到的熔钎焊接头在拉伸试验中，裂纹起始于脆硬的金属间化合物层，终断于具有较高韧性的焊缝区，接头抗拉强度高，具有较好的机械性能。

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第一章 绪论

1.1课题背景与意义

1.2 铝/钢异种金属的焊接性

1.3铝/钢焊接研究现状

1.4 本课题主要研究内容

第二章 试验材料，设备及方法

2.1 试验材料

2.2试验设备

2.3试验方法

2.4焊接热循环的测量

2.5试验分析测试方法

2.6 本章小结

第三章 铝/钢异种金属电弧辅助激光熔钎焊接头的形貌特征

3.1 接头形貌特征

3.2 焊接工艺对接头形貌和铺展宽度的影响

3.3 本章小结

第四章 熔钎焊接头组织与成分分析

4.1 熔钎焊界面微观结构特征

4.2 熔钎焊界面微观组织

4.3富锌区组织分析

4.4熔钎焊接头缺陷分析

4.5焊接工艺参数对化合物层厚度的影响

4.6 本章小结

第五章 熔钎焊接头机械性能分析

5.1接头力学性能分析

5.2工艺参数对力学性能的影响

5.3 金属元素对力学性能的影响

5.4 接头的断裂行为

5.5 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所申请专利和发表的论文