合金元素及镀层对铝/钢激光焊接头组织与性能的影响

摘要

激光焊是目前连接铝/钢异种金属最有效的方法之一，本文通过在铝/镀锌钢激光焊接过程中通过预置涂粉的方法添加不同的合金元素，并对铝合金及不同镀层碳钢进行激光焊接，选用恰当的焊接工艺参数，获得了成形良好的铝钢焊接接头。
　　本文选用Si、Mg、Mn、B、Zn合金粉末，对5A06铝合金和镀锌钢板进行激光焊接试验，并选用镀铝、镀锌、镀铝锌、镀镍钢分别与5A06铝合金进行焊接，分析不同的合金粉末及镀层对焊接接头成形和焊接性的影响，同时采用SEM、EDS等测试方法观察和分析不同合金元素对铝/钢界面微观组织及形貌的影响，进一步分析不同的合金元素对界面金属间化合物相的生长的作用。通过对铝/钢连接界面成分进行分析，发现在连接界面区主要由Fe2Al5、FeAl3、Fe4Al13金属间化合物组成。
　　通过拉伸试验，分别比较添加不同的合金元素，以及不同镀层铝钢接头的力学性能。发现在相同焊接参数条件下，添加 Mn元素时，接头的抗拉强度最大，添加 Zn、Si、Mg元素时，抗拉强度依次降低。通过分析不同镀层的对接和搭接接头应力-应变发现，镀层金属为铝锌元素时，接头试样在热影响区断裂，铝钢接头的力学性能最好，抗拉强度最大为162MPa，约为铝合金母材强度的74％，抗剪强度为166.7 N/mm，约为铝钢接头的70%。Si元素的添加，容易在铝钢接头熔化区上部形成大量的气孔，B元素增加了激光的吸收率，增加了母材的热输入，导致金属间化合物层厚度增加，容易在接头部位形成裂纹，而 Zn元素抑制了金属间化合物的生长，但在熔化区形成空隙，影响接头的致密性。
　　通过铝/钢接头试样电化学腐蚀试验发现，添加不同元素的铝/钢接头在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位在-1159mV~-890mV之间，添加 Zn、Si、Mg元素时，腐蚀电流分别为4.849e-3mA、2.766e-3mA、1.948e-3mA，而当添加Mn元素时，接头的腐蚀电流最小为9.463e-4 mA，则可知当添加Mn元素时，铝钢熔钎焊接头的耐腐蚀性能最好，而当分别添加 Mg、Si、Zn元素时，铝钢接头的耐腐蚀性能依次降低。对于不同镀层的铝钢接头，铝/镀铝钢接头的腐蚀电流为1.026e-3mA，铝/镀铝锌钢接头的腐蚀电流为3.219e-3mA，而铝/镀锌钢接头的腐蚀电流为0.873e-3mA。由此可知，当镀层金属为锌元素时，铝钢接头的抗腐蚀性能最好。对于铝钢接头来说，腐蚀易发生在金属间化合物层及气孔、夹杂等焊接缺陷处。
　　针对铝/钢焊接过程中，铝原子与铁原子之间的互扩散现象，通过对传统的蒙特卡罗方法进行进一步改进，并对实际焊接过程中铝、铁原子的扩散现象进行合理简化，建立铝钢焊接过程中连接界面铝、铁原子的扩散模型。根据已建立的铝钢界面原子扩散模型，对铝钢界面金属间化合物的生长过程进行模拟，并对添加不同合金元素时的铝钢界面的微观形貌进行模拟分析，进一步分析铝钢界面金属间化合物生长机理。结果表明：所建立的模型能够很好地反映钢侧 Fe2Al5及铝侧FeAl3离散生长，且金属间化合物层的厚度接近试验测量结果。添加 Si元素时界面呈层状向钢侧生长，添加 Mg元素时，界面呈舌形向钢侧生长，分析认为界面微观组织的成分同时受温度和浓度的影响。

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第1章 绪 论

1.1研究背景

1.2 合金元素的影响

1.3镀层的影响

1.4铝钢界面微观组织模拟研究现状

1.5 本课题研究内容

第2章 合金元素对铝钢接头组织的影响

2.1添加不同合金的铝钢熔钎焊对接接头

2.2铝钢熔钎焊接头微观组织分析

2.3合金元素对力学性能的影响

2.4 铝钢接头抗腐蚀性能分析

2.5铝钢熔钎焊接头缺陷分析

2.6本章小节

第3章 不同镀层对铝钢接头组织和性能的影响

3.1试验方法及材料

3. 2不同镀层铝钢接头微观组织

3. 3不同镀层铝钢接头相成分分析

3.4 镀层对接头力学性能的影响

3. 5不同镀层铝钢接头腐蚀性能分析

3.6铝/镀镍不锈钢焊接

3.7本章小结

第4章 铝/钢界面微观组织模拟

4.1 扩散模型求解原理

4.2基于蒙特卡罗的铝/钢界面化合物生长分析

4.3铝钢接头界面微观形貌模拟

4.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

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