铝钢异种金属激光-电弧复合焊接工艺和接头界面特性研究

摘要

激光-CMT复合焊接工艺能够在保持激光-电弧复合焊接优点的同时,具有更高的能量控制精度和工艺稳定性,能够进一步提高焊接速度并降低热输入,从而能够更有效的控制铝钢异种金属连接接头的界面生长行为,提高接头质量。本文进行了2mm厚6061铝合金和304不锈钢的光纤激光-CMT电弧复合焊接试验,研究了铝钢异种金属复合焊接对接接头的形貌特征和组织性能,探讨了界面层生长机制,并得到以下研究结果:
　　得到了工艺参数对铝钢异种金属激光-CMT复合焊接头形貌的影响规律。各工艺参数的优化范围为:激光功率1.8~2.1kW,送丝速度(和电弧电流相对应)4.8~5.4m/min,激光偏移量0.4~0.8mm,焊接速度2~3m/min。
　　通过SEM、EDS和XRD的测试结果发现:不锈钢和熔合区界面存在明显的IMCs层;从接头上部到下部,IMCs界面层逐渐增厚,并由锯齿状变成板块状;IMCs层通常表现为两层结构,分别为靠近钢基体一侧的θ-Fe4(Al,Si)13层和靠近焊缝一侧的τ5-Al8(Fe,Cr)2Si层组成。当激光偏移量为0.4mm时,热输入的优化范围为80~110J/mm。在此范围内,IMCs界面层厚度范围为3~6.5μm,接头抗拉强度大于130MPa,达到铝母材的80％以上。
　　热力学计算发现在界面可能生成的Al-Fe或Al-Fe-Si金属间化合物的生长自由能随着Al含量的增加而降低。动力学分析表明复合焊接熔池的快速凝固使得Fe原子在铝熔池中的溶解速度成为IMCs界面层生长的决定性因素。另外,在保证界面充分反应的情况下,使界面温度低于1100℃是防止IMCs界面层过厚的有效途径。通过热力学计算和动力学分析,本文总结了铝钢异种金属激光-CMT复合焊接IMCs界面层的生长机制。

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1 绪论

1.1 课题研究的目的与意义

1.2 铝钢异种金属的焊接性

1.3 铝钢异种金属连接的研究现状

1.4 铝钢异种金属连接界面反应研究进展

1.5 本课题研究重点和研究内容

2 实验设备及方法

2.1 焊接设备介绍

2.2 复合焊接热源空间位置

2.3 试验材料

2.4 制备试验与测试方法

2.5 本章小结

3 铝钢异种金属激光-CMT复合焊接接头的形貌特征

3.1 前言

3.2 激光偏移量对接头形貌的影响

3.3 焊接速度对接头形貌的影响

3.3 激光功率对接头形貌的影响

3.4 送丝速度对接头形貌的影响

3.5 本章小结

4 铝钢异种金属复合焊接接头的微观组织与力学性能

4.1 前言

4.2 铝钢异种金属复合焊接接头的微观组织特征

4.3 工艺参数对铝钢异种金属复合焊接接头界面层的影响规律

4.5 铝钢异种金属接头的力学性能

4.6 铝钢异种接头的断裂行为

4.7 本章小结

5 铝钢异种金属复合焊接接头的界面层生长机制

5.1 前言

5.2 铝钢异种金属复合焊接的界面反应热力学

5.3 铝钢异种金属复合焊接的界面反应动力学

5.4 铝钢异种金属复合焊接IMCs界面层的生长过程

5.5 本章小结

6 全文总结和展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

附录1 作者在攻读硕士学位期间发表的论文