铝/钢表面同时添加粉末激光焊接头组织性能及机理研究

摘要

汽车轻量化是降低燃油损耗及减少尾气排放的有效措施之一，实现车辆减重，迫切需求铝/钢结构件。然而对铝、钢而言，由于存在热物理性能及晶体结构方面的差异，接头界面易生成脆性Fe-Al化合物，因此实现铝/钢优质连接十分困难。
　　为探索一种铝/钢异种金属新的连接方法，本文基于铝上钢下搭接激光焊熔池上部铝液与下部钢液混合程度低有利于抑制界面生成Fe-Al化合物的思想，选取车身广泛应用的DP590双相钢与6016铝合金为研究对象，提出铝上钢下搭接、铝表面预置AlSi12Mg1.5粉、铝/钢层间预置Sn粉的激光焊接新工艺，研究接头焊缝成形、焊接光谱、焊缝区金相组织、断口形貌、界面元素分布、相分布及含量、晶粒大小、显微硬度及接头力学性能，利用ANSYS有限元数值模拟和基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，探索铝/钢表面同时添加粉末改善激光焊接头性能的作用机理。研究结果期望为丰富和完善异种金属焊接成形理论，并为发展铝/钢结构件激光焊接的推广应用提供新思路和理论依据。
　　以获得最佳焊缝表面形貌为目标，对铝上钢下搭接激光焊工艺参数进行优化，发现激光功率2750W，焊接速度32mm/s，离焦量-2mm，Ar气保护气体流量20L/min条件下，铝/钢表面未预置粉末时，接头表面成形性差；铝表面预置AlSi12Mg1.5粉时，接头表面成形性得到改善，界面形成厚度约50~100μm的Fe-Al化合物，钢侧为Fe2Al5，熔池侧为FeAl3，接头平均线载荷为33.67N/mm；铝表面预置AlSi12Mg1.5粉、铝/钢层间预置Sn粉时，界面层厚度约10~20μm，其为FeSn，Fe3Sn以及破坏界面FeAl3层的白色组织，接头平均线载荷为54.16N/mm。
　　基于铝上钢下搭接激光焊数值模拟，发现熔池上部铝液与下部钢液混合程度低；铝表面预置AlSi12Mg1.5粉时，与未预置粉末相比，熔池的熔宽和熔深明显增加，预置AlSi12Mg1.5粉利于上层铝吸收激光能量；铝表面预置AlSi12Mg1.5粉、铝/钢层间预置Sn粉时，表面同时添加粉末增加了上层铝液和下层钢液的熔合区间，接头温度场分布发生了较大改变。基于铝/钢界面区域相检测结果，Fe2Al5、FeAl3、FeSn和Fe3Sn化合物热力学性能及延、脆性等本征力学性质的第一性原理计算，焊接试样断口形貌和微区EDS分析，以及界面化合物和接头力学性能之间关系的探讨，发现铝上钢下搭接激光焊条件下，铝表面预置AlSi12Mg1.5粉、铝/钢层间预置Sn粉，生成高温下结构稳定、具有较好延性FeSn和Fe3Sn新相，快速凝固又限制上部铝液与下部钢液相互混合，这些因素抑制熔池内部和界面脆性Fe-Al化合物的形成，因而铝/钢表面同时添加粉末改善了焊接接头的力学性能。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景与意义

1.2 铝/钢异种金属的焊接性

1.3 铝/钢焊接技术国内外发展现状和动态

1.4 铝/钢激光焊接技术研究现状

1.5 本课题主要研究内容

第2章 实验设备及方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方案

2.4 检测方法

2.5 计算方法及软件

2.6 本章小结

第3章 铝/钢激光焊焊缝成形及界面组织

3.1 铝/钢激光焊接成形性

3.2 铝/钢激光焊接头微观组织

3.3 本章小结

第4章 铝/钢激光焊温度场数值模拟

4.1 焊接温度场模拟理论基础

4.2 铝/钢激光焊温度场数值模拟过程

4.3 铝/钢激光焊温度场模拟结果与分析

4.4 本章小结

第5章 同时添加粉末改善铝/钢接头性能的机理

5.1 计算模型与方法

5.2 计算结果与分析

5.3 接头力学性能与断口形貌

5.4 焊接接头的显微硬度

5.5 分析与讨论

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读硕士学位期间发表的学术论文及专利目录）