基于界面调控的铝/钢异种金属激光填丝熔钎焊工艺及机理研究

摘要

面对日益凸显的能源问题，实现铝/钢异种金属的可靠连接可大幅降低汽车、工业等领域零部件的重量，达到降低能耗、节能减排的目的。然而两种金属在物理化学性质方面差异较大，并且非常容易发生反应而生成脆性金属间化合物，恶化接头性能。因此，如何控制金属间化合物的形成与生长一直是研究的重点之一。国内外学者研究表明，控制在焊接过程中的热输入与添加合金元素是对界面反应层微观结构进行调控较为有效的方式。
　　激光熔钎焊因其具有的能量密度高、热输入量小、热影响区范围小、可精确控制等特点，一定程度上可以控制异种材料连接过程中的金属间化合物生成。本文选用纯铝焊丝，Al-Si5焊丝、Al-Si12焊丝、Zn-Al2焊丝和Zn-Al15焊丝五种合金元素成分不同的药芯焊丝，对1.5mm厚度的6061铝合金与1.2mm厚度的DP590双相钢进行激光熔钎焊对接，对接头界面层结构、元素分布特征及力学性能进行研究，阐明铝/钢异种金属激光熔钎焊中合金元素调控机理。
　　首先选用Al-Si5焊丝作为填充材料，对铝/钢异种金属激光熔钎焊工艺参数进行了探索，在获得成形良好、具有一定性能的对接接头后，通过改变激光功率重点研究了热输入对界面微观结构与力学性能的影响。发现典型界面反应层由向钢母材侧生长的 Fe2Al5层和向焊缝侧生长的细条状 FeAl3层组成，边缘存在少量Al8Fe2Si相。随热输入增加，Fe2Al5层厚度显著增加，FeAl3相变粗大。金属间化合物层平均厚度由2.2μm增长到10.9μm，与接头力学性能具有一定的对应关系，在厚度约为6.5μm时，抗拉强度达到最大值209.4MPa，为铝合金母材的68%(307MPa)。不同功率下的接头均沿界面发生脆性断裂，断口表面光滑平整，主要成分为Fe2Al5相，其上分布少量的FeAl3相。
　　进一步，选用合金成分不同的焊丝作为填充材料，系统的分析了Si、Zn两种元素对接头界面微观结构的影响。结果显示，当选用铝基焊丝时，随加入的Si元素含量增多，界面处反应层由类舌状Fe2Al5层和细条状FeAl3层组成变为由锯齿状Al8Fe2Si层和被其包裹在内部的细针状FeAl3层组成，厚度由17.1μm降低至5μm。选用锌基焊丝时，界面层微观结构有较大差异，反应层由 Fe2(Al,Zn)5层和弥散分布其上的FeZn10相组成，FeZn10相在靠近钢母材侧可形成连续薄层；当加入的Al元素含量升高时，Fe2(Al,Zn)5层厚度小幅增加，FeZn10相数量降低，仅弥散分布在Fe2(Al,Zn)5层中。特别的是，在使用锌基焊丝时得到的接头具有最佳的力学性能，抗拉强度达到了249.4MPa，为铝合金母材的81.24%。
　　最后，建立了对三元合金系化学势预测的模型，通过热力学计算，解释了Si-Al-Fe三元系中Si元素与在界面反应过程中发生富集的原因及其对Al、Fe元素扩散的影响和Zn-Al-Fe三元系中Al元素在界面附近发生富集的原因，确认了焊接过程中反应产物的生成顺序。阐明了在反应过程中，反应层结构与物相组成受元素扩散影响的规律。Si-Al-Fe三元系中，Si元素通过影响Al、Fe元素扩散行为改变了反应发生的位置与程度，进而对界面金属间化合物层的物相组成和厚度进行了控制。在Zn-Al-Fe三元系中，Al元素促进了Fe元素向焊缝中扩散，反应生成Fe2(Al,Zn)5相；Zn元素与Fe元素反应生成FeZn10相，分布在Fe2(Al,Zn)5层中。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 铝/钢异种金属焊接技术研究现状

1.3 合金元素的影响

1.4 本文研究的目的和主要内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

2.4微观分析及性能检测

第3章 铝/钢激光填丝熔钎焊工艺研究

3.1 引言

3.2 接头表面成形及截面形貌

3.3 接头微观组织及分布

3.4 接头力学性能与断口分析

3.5 本章小结

第4章 合金元素对铝/钢激光填丝熔钎焊影响

4.1 引言

4.2 宏观结构特征

4.3 界面层微观结构

4.4 接头力学性能与断口分析

4.5 本章小结

第5章 铝/钢激光熔钎焊界面热力学分析

5.1 引言

5.2 三元合金热力学性质的预测模型

5.3 三元合金热力学计算结果分析

5.4 界面反应热力学分析

5.5 界面反应机理

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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致谢