激光-夹层耦合镁/铝熔焊接头的组织性能研究

摘要

汽车车身的减重已成为当前汽车技术提升的热点研究方向，铝、镁等合金在汽车上的应用不可避免涉及两者之间的连接，论文针对铝、镁合金搭接接头激光焊存在铝镁脆性化合物相的问题,开展中间层和焊接工艺参数对铝/镁激光焊接组织性能的影响研究，选题具有重要的理论意义和实际应用价值。　　本文以6061铝合金和AZ31B镁合金板材为研究对象，以提高镁/铝异种合金接头强度为初衷，选取了高熔点Ti、Ni夹层，采用镁上、铝下的搭接焊接方式，研究Ti、Ni夹层对铝、镁异种金属激光焊接接头的影响。采用金相显微镜、显微硬度仪、环境扫描电镜、XRD衍射仪和电子万能试验机等，研究夹层对镁/铝焊接接头的微观组织和力学性能的影响规律，同时利用COMSOL数值模拟和MS软件的第一性原理计算，从能量传递和冶金学角度，并结合温度场分布情况，探讨添加Ti、Ni夹层后镁/铝焊接接头的连接机理。论文的主要研究结论如下：　　(1)基于中间层的选择和设计，选取了Ti、Ni两种熔点接近的中间层辅助焊接。添加Ti、Ni中间层后，熔池形状由“V”型变为“酒杯状”，具体表现在上侧熔池变宽且边缘更为圆润，熔池与母材的有效接触面积变宽。实验结果表明：添加Ni夹层后，接头界面处形成有效的IMC中间层，完全抑制了镁、铝脆性化合物的产生，以一种桥梁的形式双向连接镁、铝基体，而Ti夹层的添加未在界面处形成有效的IMC中间层，影响焊接接头的有效连接。　　(2)优化出了以Ni箔为中间层的激光焊接工艺参数为激光功率1450W、焊接速度1200mm/min、Ni箔厚度0.2mm，得到的接头线强度为78.9N/mm。接头界面处的金属间化合物影响接头的剪切性能，合理调控中间相化合物AlNi、Al3Ni的生成是提高镁/铝接头力学性能的关键，加入Ni夹层后，优先形成Ni-Al中间相，且AlNi中间相比Al3Ni中间相更易形成。　　(3)采用COMSOLMultiphysics软件对熔池温度场进行模拟仿真，采用高斯热源加载，结合温度场、流场，模拟镁/铝激光焊接接头温度场合理可行。通过对比分析添加夹层前后镁/铝焊接接头的温度场分布，发现Ni箔的存在起到隔热效果，有助于中间层与基材进行双向冶金结合。模拟结果和实验结果相符。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 铝合金的性能及用途

1.2.1 铝合金的性能特点

1.2.2 铝合金在汽车上的应用优势

1.3 镁合金的性能及用途

1.3.1 镁合金的性能特点

1.3.2 镁合金在汽车上的应用优势

1.4. 铝/镁异种合金焊接的特点

1.5 铝/镁异种焊接研究现状

1.5.1镁/铝合金的搅拌摩擦焊(FSW)

1.5.2镁/铝合金的扩散焊

1.5.3镁/铝合金的激光焊

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验设备及方案

2.1 实验材料

2.2 实验目的及方法

2.3 实验设备

2.3.1 激光器

2.3.2 ABB焊接机器人

2.3.3 激光头和焊接夹具

2.3.4 技术路线

2.4 焊后检测

2.4.1 力学性能测试

2.4.2 金相制备

2.4.3 接头的显微组织和相组成分析

2.5 计算模拟软件

2.5.1 第一性原理计算

2.5.2 COMSOL有限元分析

第3章 夹层种类及厚度对铝/镁焊接的影响

3.1铝/镁激光焊接焊缝剪切强度分析

3.2铝/镁激光焊接焊缝表面成型性分析

3.2.1 未添加夹层时镁/铝激光搭接焊

3.2.2 添加Ti夹层时镁/铝激光搭接焊

3.2.3 添加Ni夹层时镁/铝激光搭接焊

3.3铝/镁激光焊接焊缝熔池形貌分析

3.3.1 未添加夹层时镁/铝激光搭接焊熔池形貌

3.3.2 添加Ti夹层时镁/铝激光搭接焊熔池形貌

3.3.3 添加Ni夹层时镁/铝激光搭接焊熔池形貌

3.4铝/镁激光焊接焊缝熔池成分分析

3.4.1 添加夹层镁/铝接头XRD分析

3.4.2 添加夹层镁/铝接头线扫描

3.4.2 未添加夹层时镁/铝激光搭接焊熔池面扫

3.4.3 添加Ti夹层时镁/铝激光搭接焊熔池面扫

3.4.4 添加Ni夹层时镁/铝激光搭接焊熔池面扫

3.5 本章小结

第4章 Ni夹层耦合镁/铝熔焊接头的连接机理研究

4.1 接头表面形貌和性能

4.2 热力学及本征力学行为分析

4.2.1 热力学行为分析

4.2.2 本征力学性能计算

4.3 显微组织

4.3.1 1450W功率下熔池焊缝显微组织

4.3.2 1500W功率下熔池焊缝显微组织

4.4 显微硬度

4.5 断裂形貌及连接机理

4.6 本章小结

第5章 镁/铝激光焊接熔池行为分析

5.1 COMSOL Multiphysics平台介绍

5.1.1 COMSOL Multiphysics软件介绍

5.1.2 COMSOL Multiphysics软件的特点及功能

5.1.3 COMSOL Multiphysics软件的应用

5.2 添加夹层焊接的镁/铝焊接接头数值模型

5.2.1 基本设定

5.2.2 材料属性

5.2.3 热源模型

5.2.4 控制方程组

5.2.5 边界方程

5.2.6 网格划分

5.3 数值计算结果

5.3.1 熔池截面温度分布

5.3.2 表面温度分布

5.4 温度域

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A(攻读硕士学位期间发表的学术论文目录)