铝/钢激光熔钎焊实验及工艺参数优化研究

摘要

近年来，环境保护和能源供应问题日趋严峻，对节能减排的要求也越来越严格。轻量化是实现节能减排要求的有效途径，铝合金与钢形成的复合结构能显著减轻结构重量，达到节约能源和减少气体排放的目的。因而在航空、造船、汽车等工业中显示出独特的优势和良好的应用前景。
　　本文通过添加不同含硅量的焊丝，使用激光作为热源对铝/钢异种金属对接接头进行熔钎焊试验。研究硅含量以及工艺参数对接头焊缝成形、微观组织及力学性能的影响，并使用响应曲面法优化焊接过程中的工艺参数。论文主要工作包括以下几点：
　　（1）理论方面：分析激光与金属之间的相互作用机理以及激光对材料表面的加热过程；探讨异种金属的焊接性，特别是铝/钢异种金属焊接的难点；阐述熔钎焊过程中影响液态钎料在母材表面润湿和铺展性能的因素，以及液态钎料与固态母材之间的相互作用。
　　（2）实验方面：设计焊接夹具，使用光纤激光器对铝合金和不锈钢进行激光熔钎焊实验。首先对Si元素含量及工艺参数对焊缝成形的影响进行研究，并阐明焊缝内部气孔和裂纹产生的原因以及焊缝不同位置晶粒状态。通过焊接过程熔池温度的分布、化合物的产生和生长机理，解释界面化合物形态和厚度的差异的原因；然后对不同Si含量接头的截面和断口的物相组成进行检测；综合分析工艺和微观组织对接头力学性能的影响规律，并对接头断裂机理进行分析。结果表明，接头抗拉强度受金属间化合物种类和元素之间扩散的影响较大。添加ER4047焊丝的焊缝中会产生τ5和τ6相，铝/铁元素之间的扩散受到抑制，从而损害接头强度。接头断裂表现为混合断裂模式。在上述实验的基础上，化合物反应的热力学和动力学理论，提出一种Si元素含量对界面化合物生长的影响模型。
　　（3）工艺参数优化方面：首先采用中心复合实验设计方法设计试验，根据实验数据建立抗拉强度和工艺参数之间的数学模型，并对模型的合适性进行检验和分析，探讨工艺参数对响应值的主效应及交互作用的关系；然后以接头最大拉伸强度为优化目标，对焊接过程中的工艺参数进行优化；最后使用最优工艺参数进行实验，对最优参数条件下接头的力学性能进行检测和分析。结果表明，离焦量和激光功率对抗拉强度影响最大，模型的预测值与实验真实值有较好的一致性，最优参数条件下接头抗拉强度可达185 MPa。

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第一章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 钢/铝异种金属焊接技术

1.3 铝/钢异种金属熔钎焊研究现状

1.4 Fe-Al金属间化合物研究现状

1.5 本文研究的主要内容

第二章 激光熔钎焊相关理论

2.1 传热学基本理论

2.2 异种材料焊接存在的问题

2.3 钎焊原理

2.4 本章小结

第三章 接头显微组织及力学性能分析

3.1 实验方案及实验内容

3.2 焊缝表面成形

3.3 熔钎焊微观组织结构及成分分析

3.4 焊接接头XRD分析

3.5 铝/钢接头力学性能及断口分析

3.6 金属间化合物产生机理研究

3.7 本章小结

第四章 铝/钢激光熔钎焊工艺参数优化

4.1 响应曲面设计方法简介

4.2 基于RSM的焊接工艺数学模型的建立与分析

4.3 焊接工艺数学模型的验证

4.4 工艺参数优化

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及其他科研成果