基于中间层的AZ31镁合金/5052铝合金电阻点焊焊接性研究

摘要

针对镁/铝异种合金电阻点焊焊接性差、接头强度低的问题，本文通过分别添加纯镍和镀锡钢作为中间层，研究了基于中间层的镁/铝电阻点焊的焊接工艺和熔核区界面结合机理。通过优化焊接工艺参数，获得了基于中间层的优质点焊接头；使镁/铝电阻点焊接头在微观组织结构和力学性能方面都得到显著提高。并分别对接头在静载和动载载荷的条件下的力学性能进行测试与受力分析，从而为镁/铝异种材料的应用提供理论依据和技术支撑。
　　设计了使用纯镍金属作为中间层进行镁/铝异种合金的电阻点焊焊接试验。为了解决铝侧金属因为热量不足未能熔化的问题，对铝侧和镁侧FF-25原始电极进行了加工优化；通过调整电阻点焊过程中镁、铝两侧的电流密度来降低焊接过程中热量的不均匀分布。经初步试验证明，使用改造后的电极进行基于镍中间层的镁/铝电阻点焊，铝侧有明显的熔核形成，成功获得具有一定强度的点焊接头。
　　与镁/铝直接电阻点焊的力学性能相比，基于镍中间层的镁/铝电阻点焊接头的强度显著提高，可承受的最大拉剪力由2.2kN提高到了5.5kN，增幅达到114％，达到了AWS D17.2电阻点焊航空应用标准要求。研究了不同焊接参数和镍层厚度对接头强度的影响作用。发现使用过大的焊接电流（如42kA）会造成镁-镍界面共晶反应层中气孔和微裂纹等焊接缺陷的产生，从而影响接头的力学性能。
　　在焊接过程中保持固态的镍中间层，将熔核分为上下两个部分：铝侧熔核和镁侧熔核。对基于镍中间层的镁/铝电阻点焊熔核进行了微观组织和物相分析，并未发现高硬脆性铝-镁金属间化合物的生成。铝-镍通过界面处的Al3Ni反应层和Al-Al3Ni共晶组织相连接；镁-镍通过界面处的Mg2Ni反应层和分布有AlNi纳米颗粒的Mg-Mg2Ni共晶组织相连接。镍中间层的添加，成功阻止了在焊接过程中铝合金和镁合金相互间的化学反应，提高了接头的强度。
　　在基于镀锡钢中间层的镁/铝电阻点焊的试验中，首先介绍了选择镀锡钢作为中间层的科学依据和试验的可实现性；通过焊接电流缓降时间的应用，有效减少了熔核缺陷（如缩孔、气孔和裂纹）的产生。与镁/铝直接点焊相比，基于镀锡钢中间层的镁/铝电阻点焊接头的强度显著提高并且熔核区没有硬化现象。在焊接电流为40kA时，基于镀锡钢中间层的镁/铝电阻点焊接头可承受最大拉剪力达到7.3kN；与镁/铝直接电阻点焊的接头强度相比，增幅达到232%。
　　对基于镀锡钢中间层的镁/铝电阻点焊横截面的进行了SEM微观组织观察和EDS化学元素分布分析，发现铝-钢通过界面处的FeAl3和Fe2Al5反应层相连接；镁-钢通过界面处反应生成的纳米级厚度的Al8(Mn,Fe)5相连接。并结合热力学基本原理对铝侧熔核和镁侧熔核的凝固过程进行了分析。在焊接过程中保持固态的镀锡钢中间层，将熔核分为上下两个部分：铝侧熔核和镁侧熔核。结合接头的形成过程，分析了镀锡钢中间层在镁/铝电阻点焊接头中的作用：镀锡钢中间层的添加，成功阻止了在焊接过程中铝合金和镁合金相互间的化学反应，提高了接头的强度；镀层锡金属在焊前对钢起着重要的防止污染和抗氧化的保护作用，并在焊接过程中对防止熔核区域金属被氧化起到了一定作用。
　　首次对镁/铝电阻点焊接头的疲劳性能进行了研究，疲劳测试试验结果表明基于镀锡钢中间层的点焊接头的疲劳强度与镁合金AZ31同种金属电阻点焊的疲劳强度相比，达到了同一水平。揭示了取决于疲劳测试过程中载荷大小的三种疲劳失效模式：从铝-钢界面处断裂、从镁合金母材处断裂和从铝合金母材处断裂；对不同疲劳寿命下焊件失效模式的转换原因进行了分析。利用SEM微观分析手段和EDS化学元素成分分析技术，对以上三种疲劳失效模式下疲劳裂纹的形成位置、原因和裂纹扩展路径进行了分析。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 镁合金和铝合金的连接

1.3 镁/铝异种合金连接的研究现状

1.4 基于中间层的镁/铝异种合金连接的研究现状

1.5 电阻点焊在镁/铝异种连接中的应用及存在问题

1.6 本文的主要研究内容

第2章 试验材料及研究方法

2.1试验材料

2.2 研究方法

2.3 本章小结

第3章 异种金属镁/铝直接电阻点焊焊接性

3.1 研究方法

3.2 接头微观组织分析

3.3 接头力学性能

3.4 断口形貌分析

3.5 本章小结

第4章 基于高熔点金属中间层的镁/铝电阻点焊焊接性

4.1 中间层的选择

4.2 基于镍中间层的镁/铝电阻点焊热分布分析

4.3 接头的力学性能

4.4 基于镍中间层的镁/铝接头界面分析

4.5断口形貌特征

4.6基于镍中间层的镁/铝电阻点焊连接机理分析

4.7 本章小结

第5章 基于带镀层的高熔点中间层的镁/铝电阻点焊焊接性

5.1带镀层高熔点金属中间层

5.2 接头的力学性能

5.3 基于镀锡钢中间层的镁/铝接头的界面分析

5.4 断面形貌特征

5.5 基于镀锡钢中间层的镁/铝电阻点焊连接机理

5.6 本章小结

第6章 镁/铝电阻点焊接头疲劳性能研究

6.1 研究方法

6.2 接头的疲劳性能

6.3 疲劳失效模式分类

6.4 断面形貌特征及疲劳裂纹扩展形式分析

6.5本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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