填加镍夹层的镁/钢异质金属激光-TIG复合热源对接双面熔化焊研究

摘要

异质材料结构能够充分发挥“物尽其材”的效果，成为国内外设计者提高关键零部件综合性能的重要途径。尤其是近年来发展的镁合金/钢复合结构可兼具整体减重与局部承载增强的协同优势，具有广阔的应用前景。而镁合金/钢异质材料连接技术问题的解决，成为该新型复合结构获得工业广泛应用的前提和关键。
　　目前国内外研究现状表明，针对镁/钢异质金属对接结构熔化焊的研究甚少，本课题组前期通过填加铜锌夹层使得接头断裂在焊缝处。而本文则在保证镁/钢界面可靠结合的同时，以提高接头焊缝区的强度为切入点，选取纯镍作为过渡，利用镍与铁在高温下可以无限互溶的特点，期望降低接头焊缝中过渡元素的含量，以降低对焊缝区强度的劣化，从而进一步提高接头的抗拉强度。开展了填加镍夹层的镁/钢对接单面熔化焊和双面熔化焊接工艺实验，并对双面熔化焊接头的组织性能及结合机制进行了研究。
　　通过填加镍夹层，利用激光-TIG复合热源实施对接熔化焊，结果发现单面熔焊过程中镁/钢界面处易出现裂纹、孔洞等焊接缺陷，不利于镁/钢焊接成形。于是提出了镁/钢薄板对接双面熔化焊接新工艺，接头拉伸强度可达232MPa，约为镁合金母材强度的90％，接头断裂位置处于镁/钢界面附近。接头主要是由焊缝区、镁/钢界面过渡层和宽度约为300μm左右的Fe-Ni固溶区组成。其中焊缝区主要是由重熔的镁和大量弥散分布的具有微纳尺度（约500nm左右）的AlNi相颗粒构成，镁/钢界面是一层厚度约为1μm左右的薄过渡层，Fe-Ni固溶区则主要是Ni在Fe中的固溶体区。
　　在不同的焊接热输入状态下，进行镁/钢填铜锌夹层的复合热源对接双面熔化焊接工艺验证分析，结果表明双面熔化焊接新工艺作用下，接头几何结构的改变并不是获得镁/钢可靠连接的主要原因，而镍的介入改变了焊缝组织结构并提高了焊缝区的强度才是获得高强度镁/钢连接接头的关键。
　　镁/钢填镍夹层对接双面熔化焊接过程中，大部分的镍与铁结合形成明显的Fe-Ni固溶区，仅有少量的镍进入镁合金熔池优先与铝反应形成大量具有微纳尺度的AlNi相颗粒并弥散分布于焊缝基体。这些弥散分布的细小颗粒对焊缝起到了弥散强化的效果，降低了对焊缝区强度的劣化，使接头强度有了大幅提升。熔融的镁回填铺展至钢侧时促进了镁/钢界面过渡层的形成，界面处出现了Al元素的富集，同时也检测到了Mg、Fe、Ni的存在，推测可能生成了含Fe、Al的中间相从而促进了镁/钢对接熔化焊接头的高性能连接。因此，镍对于实现镁/钢异质金属对接熔化焊的可靠连接是一种优异的过渡金属。