钢/铝搭接添加Sn-5％Zr粉末激光深熔焊接头微观组织研究

摘要

采用钢/铝结构件替代单一钢结构件，可获得良好减重效果，是实现车辆结构轻量化的有效途径，因而在现代交通运输工具中有广泛应用前景。激光深熔焊具有焊接速度快、过程稳定、能量密度高、焊接变形小等优点，成为钢/铝优质高效连接的重要方法，但激光深熔焊时，熔池内部Fe与Al易反应生成Fe-Al金属间化合物，恶化钢/铝接头力学性能。本文选取DP590双相钢与6016铝合金为研究对象，提出钢上铝下搭接、有无粉末添加的激光深熔焊实验方案，利用光学显微镜(OM)、带有EDS和EBSD探头的扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等对钢/铝有无粉末添加接头的焊缝成形性、各区域微观组织、断口形貌、主要物相、相的分布、含量、晶粒大小及力学性能等进行系统研究，基于添加粉末前后焊缝成形、熔池冶金过程与焊缝组织改变，探讨添加粉末改善钢/铝接头性能的作用机理，研究结果期望为钢/铝结构件激光焊接的推广应用提供理论依据。
　　基于熔点低、沸点高Sn元素组成粉末，易熔化、不易挥发，添加到钢/铝中，可改变激光焊接熔池冶金过程和焊缝微观组织，Zr作为填充金属，能细化焊缝区晶粒大小，以及有关加入量方面的文献报道，确定Sn-5％Zr粉末作为钢、铝层间添加材料;基于1.4mm厚DP590双相钢和1.2mm厚6016铝合金平板试件添加Sn-5％Zr粉末的激光搭接深熔焊试验，发现粉末增加钢/铝界面熔宽，降低下层铝合金的熔化深度，改变熔池的流动方式，削弱激光对熔池的搅拌作用，阻碍Fe、Al大量搅拌相互混合，使反应的Fe、Al数量减少，进而使形成的Fe-Al金属间化合物的层厚度降低;此外，粉末还与熔池内部的合金化元素一起，改变与上层钢接触的熔体层的合金成分，进而影响熔体与钢基体的界面反应行为及生成相的种类及形貌特征，未添加粉末，钢/铝界面主要为FeAl2，FeAl5及FeAl3，而添加粉末，除新形成具有较好延性的FeSn，Fe3Sn，及细化作用的ZrAl3等生成相外，界面层Fe-Al金属间化合物脆性相与延性相的比例发生改变，其中富铝相减少，富铁相增多;未添加粉末，与母材区相比，钢/铝接头焊缝区铁素体、马氏体的平均晶粒尺寸较大，分布不均匀，相体积分数变化较大;而添加粉末，焊缝区铁素体与马氏体的平均晶粒尺寸减少，分布均匀，相体积分数变化不大，添加粉末没有恶化上层双相钢的相组成。由于添加Sn-5％Zr粉末增加钢铝横向结合面积，提高焊合率，降低Fe-Al金属间化合物层厚度，及新形成具有较好延性的FeSn，Fe3Sn，及细化作用的ZrAl3等相，因而添加粉末改善钢/铝搭接激光深熔焊接头力学性能。

目录

声明

摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 激光深熔焊接技术

1．2．1 激光深熔焊技术的发展

1．2．2 激光深熔焊技术原理

1．2．3 激光深熔焊的技术优点

1．2．4 钢／铝激光深熔焊存在的难题

1．3 钢／铝激光深熔焊接研究进展

1．3．1 钢／铝激光深熔焊接工艺的研究进展

1．3．2 钢／铝焊接添加材料的研究进展

1．4 本论文的研究内容

第2章 钢／铝搭接激光深熔焊实验设备及方案

2．1 试验材料

2．2 试验设备

2．2．1 激光器

2．2．2 执行机构

2．2．3 焊接夹具

2．2．4 气体保护装置

2．3 试验方法

2．3．1 焊接试验方案

2．3．2 剪切拉伸性能测试

2．3．3 金相显微观察

2．3．4 高分辨率扫描电镜分析技术

2．4 第一性原理理论基础及模拟软件

2．4．1 第一性原理

2．4．2 CASTEP计算软件简介

2．5 本章小结

第3章 钢／铝搭接添加Sn-5％Zr粉末激光深熔焊接头微观组织

3．1 钢／铝接头焊缝区显微组织

3．1．1 焊缝金相分析

3．1．2 焊缝组织分布

3．2 钢／铝界面层显微组织

3．3 钢／铝界面层元素分布

3．4 钢／铝接头界面层相结构分析

3．5 本章小结

第4章 Sn-5％Zr粉末改善钢／铝接头性能的作用机理

4．1 接头性能与断口形貌

4．1．1 焊接试样的剪切力学性能

4．1．2 试样断口分析

4．2 焊缝成形性对接头性能的影响

4．2．1 焊缝微观形貌

4．2．2 焊缝宏观形貌

4．3 熔池冶金过程的改变对接头性能的影响

4．4 焊缝区组织改变对接头性能的影响

4．5 粉末改善钢／铝接头性能的理论机理

4．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读硕士期间发表的论文