AZ31B镁合金/Q235低碳钢激光-电弧复合焊研究

摘要

镁合金具有轻质、高比刚度、比强度的优点，钢是制造汽车和航空航天器的基础材料，镁/钢连接被广泛应用于汽车和航空航天器的生产制造中，在一些非承重部件镁合金代替钢能够减轻机器自重，从而达到节能减排的目的。因此镁/钢连接的研究具有重要意义。 镁和钢在物理化学性能方面的差异较大，很难固溶或产生金属间化合物，实现冶金连接，其熔沸点的差异无法选择传统的熔焊连接。目前镁/钢连接最合理的方法为熔钎焊连接，本文采用激光-电弧复合焊方法连接AZ31B镁合金与Q235钢，研究不同的激光功率、焊接电流和焊接速度对接头形貌、微观组织和力学性能的影响，在钢表面预镀金属元素后，研究微观组织和力学性能的变化。 焊接工艺参数对镁/钢接头的微观组织和力学性能有至关重要的影响，在合适的焊接工艺参数下，能够获得表面成形美观，无明显焊接缺陷且力学性能良好的焊接接头。通过试验比对可知当激光功率为1200W、电流140A、焊接速度8mm/s时，表面成形和力学性能最优，最高抗拉强度为117.04MPa。 镁/钢激光-电弧复合焊接头为典型的熔钎焊接头，分为钢侧热影响区HAZ1，钢侧钎焊区IZ，焊缝区WZ，镁侧熔焊区FZ，镁侧热影响区HAZ2。焊缝区的晶粒相比镁合金母材明显细化，主要组织为α-Mg固溶体和A112Mg17金属间化合物。通过拉伸试验发现镁/钢激光-电弧复合焊接头的连接薄弱区在于钢侧钎焊区，对断口做XRD检测显示，断裂界面有Fe-Al相的存在，其脆硬相的本质会恶化接头性能。 在钢表面预镀Cu层后，提高了焊接接头的力学性能，抗拉强度达到了188.97MPa，断裂方式为韧脆混合型断裂。对钢侧断口做XRD显示，加入Cu元素后，界面反应层有少量的Fe-Al和Al16CuMg4化合物，说明Cu元素抑制了Fe-Al相的生成，扩散到焊缝中的Cu元素与Mg元素反应生成了Mg2Cu、Cu2Mg化合物。 在钢表面预镀Ni层后，其接头的断裂模式与镀铜的接头相似，抗拉强度达到了176.39MPa，Ni与Fe生成了（Fe,Ni）固溶体，与Al反应生成了AlNi相和Al0.42Ni0.58相，Al-Ni相和（Fe,Ni）固溶体的存在极大的提高了焊接接头的力学性能。 钢表面预镀的金属元素对焊接接头的影响主要在于不同界面反应层的生成，加入Cu、Ni元素后界面反应层的生成主要分为四个阶段：激光和MIG电弧的复合热源熔化镀层和焊缝；钢中的Fe元素和表面的镀层元素（Cu、Ni）与焊缝金属相互扩散反应；界面反应产物产生并长大；界面反应层与焊缝金属凝固。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究目的及意义

1.2 镁/钢的焊接性

1.3 镁/钢连接的研究现状

1.3.1 扩散钎焊

1.3.2 搅拌摩擦焊

1.3.3 电阻焊

1.3.4 冷金属过渡焊

1.3.5 激光焊

1.3.6 激光-电弧复合焊

1.4 课题主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料

2.1.1 材料成分及性能

2.1.2 焊前准备

2.2 试验设备及方法

2.2.1 激光-电弧复合焊试验设备

2.2.2 激光-电弧复合焊

2.3 试验分析

2.3.1 镁/钢接头宏观、微观组织分析

2.3.2 力学性能测试

第3章 焊接工艺参数对接头质量的影响

3.1 引言

3.2 激光-电弧复合焊工艺参数选择

3.3 焊接电流对接头质量的影响

3.3.1 焊接电流对接头截面成形的影响

3.3.2 焊接电流对钢侧界面反应层的影响

3.3.3 焊接电流对接头力学性能的影响

3.4 焊接速度对接头质量的影响

3.4.1 焊接速度对接头截面成形的影响

3.4.2 焊接速度对接头钢侧界面反应层的影响

3.4.3 焊接速度对接头力学性能的影响

3.5 激光功率对接头质量的影响

3.5.1 激光功率对接头截面成形的影响

3.5.2 激光功率对钢侧界面反应层的影响

3.5.3 激光功率对接头力学性能的影响

3.6 本章小结

第4章 镁/钢激光-电弧复合焊接头组织及力学性能

4.1 镁/钢激光-电弧复合焊焊缝宏观形貌及组织特点

4.2 镁/钢激光-电弧复合焊焊缝微观组织特点

4.2.1 焊缝中部微观组织

4.2.2 钢侧界面微观组织

4.3 镁/钢激光-电弧复合焊接头力学性能特点

4.3.1 镁/钢激光-电弧复合焊接头硬度

4.3.2 镁/钢激光-电弧复合焊接头断裂机制

4.4 镁/钢激光-电弧复合焊接头主要缺陷

4.4.1 未焊合

4.4.2 裂纹

4.4.3 气孔

4.4.4 镀层未熔化

4.5 本章小结

第5章 钢表面预处理对镁/钢激光-电弧复合焊的影响

5.1 中间层的选择及添加方式

5.2 Cu对镁/钢激光-电弧复合焊接头微观组织和力学性能的影响

5.2.1 Cu对接头微观组织的影响

5.2.2 Cu对接头力学性能的影响

5.3 Ni对镁/钢激光-电弧复合焊接头微观组织和力学性能的影响

5.3.1 Ni对接头微观组织的影响

5.3.2 Ni对接头力学性能的影响

5.4 添加合金元素后界面层生长模式

5.4.1 添加Cu元素的界面层生长模式

5.4.2 添加Ni元素的界面层生长模式

5.5 本章小结

结论

参考文献

硕士期间发表的学术论文

致谢