粉末成分对铝/钢异种金属激光填粉焊接质量的影响

摘要

铝/钢异种金属复合结构兼顾了前者质量轻、耐腐蚀、易加工和后者强度高、塑性、韧性好等优良性能，在现代制造业中得到了广泛的应用。但两种材料在物理和化学性能上存在着巨大的差异，导致铝/钢熔焊存在诸多困难。与普通热源相比，激光束具有极高的功率密度，作用面积小，焊后接头的应力、应变小，是异种金属焊接的理想方法之一。本文以激光深熔焊为原理采用预置粉末和添加夹层金属的方式对铝合金和钢进行对接焊试验，试验中将激光束偏向钢板一侧。预置粉末成分为硅粉，硼粉，1％浓度的铝基稀土粉末，夹层金属为纯铜箔。
　　研究了主要工艺参数对铝/钢激光对接焊焊缝成型的影响。观察不同粉末作用下的焊缝微观组织，测试了主要元素的分布情况和界面反应层的物相组成。讨论了不同粉末对接头力学性能的影响，并分析了不同粉末成分控制界面反应层生长的作用。结果表明:硅元素能够细化焊缝组织，增加熔池流动性，界面处形成了Fe4(Al，Si)13、Fe2(Al，Si)5、Fe3Si金属间化合物。Fe3Si的形成抑制了层状Fe2Al5的生长，使接头拉伸强度提高了84.4％。硼元素能够细化熔化区组织，在界面反应层中，B原子以间隙固溶的方式进入到Fe2Al5晶界内电子密度稀薄的位置，使电荷分布更加均匀，位错可动性提高，进而增加了Fe2Al5的塑性。同时，B原子在Fe2Al5晶界中的聚集，阻塞了Fe原子向α-Al中的扩散通道，减少了Fe4Al13的形成，并使残余的针状Fe4Al13相趋于圆整，接头强度提高了1.18倍。稀土铈能与焊缝中的O，S原子结合形成Ce2O3，Ce2O2S和CeS细小的高熔点化合物并细化焊缝组织。稀土铈由于极强的化学活泼性富集在层状Fe2Al5周围，阻碍Fe元素向Al焊缝内扩散，抑制了针状Fe4Al13化合物的形成。同时，稀土铈与Al元素形成的高熔点化合物充当异质形核剂使Fe2Al5相得到细化，接头强度提高了16.7％。添加铜箔夹层的焊缝中，铜箔形成了铝、钢间的过度桥梁，使对接面处铝/钢物理性质过度平缓，有效降低了界面处液态金属的温度梯度和热传递速率。因此熔池的高温停留时间延长，焊缝金属熔化量增加。铜箔夹层改善了Fe、Al高温流动性，元素混合充分，避免了Fe元素在局部区域内的过度聚集，抑制了粗大板条状Fe4Al13的产生。界面处Cu元素固溶于Fe2Al5和Fe4Al13中，并形成了CuAl2。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 铝钢焊接技术国内外研究现状

1．2．1 铝／钢异种金属的焊接性分析

1．2．2 铝／钢固相焊接

1．2．3 铝／钢钎焊

1．2．4 铝／钢熔焊

1．3 激光填粉焊接

1．4 课题主要研究内容

第二章 试验材料、设备及方法

2．1 试验材料

2．11 试验母材选定

2．12 粉末成分的确定

2．2 试验设备

2．21 激光加工系统

2．22 焊接质量检测设备

2．3 试验方法

2．3．1 工艺试验

2．3．2 焊缝质量检测

第三章 铝／钢激光对接焊工艺参数优化

3．1 激光束偏移距离对铝／钢对接焊质量的影响

3．2 离焦量对铝／钢对接焊质量的影响

3．3 激光功率对铝／钢对接焊质量的影响

3．4 焊接速度对铝／钢对接焊质量的影响

3．5 本章小结

第四章 粉末成分对铝／钢激光对接焊质量的影响

4．1 激光束与预置粉末的相互作用

4．2 硅元素对接头组织和性能的影响

4．2．1 硅元素对熔化区组织的影响

4．2．2 硅元素对焊缝微观形貌和元素分布的影响

4．2．3 硅元素控制界面层生长的作用

4．2．4 硅元素对接头力学性能的影响

4．3 硼元素对接头组织和性能的影响

4．3．1 硼元素对熔化区组织的影响

4．3．2 硼元素控制界面层生长的作用

4．3．3 硼元素对接头力学性能的影响

4．4 稀土铈对接头组织和性能的影响

4．4．1 稀土铈对熔化区组织的影响

4．4．2 稀土铈控制界面层生长的作用

4．4．3 稀土铈对接头力学性能的影响

4．5 铜元素对接头组织和性能的影响

4．5．1 铜元素对熔化区组织及焊缝微观形貌的影响

4．5．2 铜元素对界面反应层相组成的影响

4．5．3 铜元素作用下的界面反应层形成过程分析

4．5．4 铜元素对接头力学性能的影响

4．6 本章小结

结论

致谢

参考文献