鋁鋼異種材料激光焊接工藝與機(jī)理研究.pdf

1、在環(huán)境和能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化，受到各大汽車(chē)廠(chǎng)商的關(guān)注；如何實(shí)現(xiàn)鋁鋼的可靠連接，加快輕質(zhì)鋁合金材料在汽車(chē)中的應(yīng)用，已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。然而，鋁鋼之間諸如熔點(diǎn)，密度和線(xiàn)脹系數(shù)等性質(zhì)差異很大，焊后冷卻過(guò)程中，容易開(kāi)裂；而且，兩者冶金反應(yīng)生成的硬脆Fe-Al金屬間化合物，將加劇接頭的開(kāi)裂，降低接頭的力學(xué)性能。因此，在鋁鋼焊接的研究中，F(xiàn)e-Al金屬間化合物的生成機(jī)理和控制一直是研究重點(diǎn)之一。
　　激光焊具有熱輸入

2、量小、冷卻速度快和可添加釬料等優(yōu)點(diǎn)，一定程度上可以控制異種材料連接過(guò)程中的金屬間化合物生成。然而，激光鋁鋼焊接中，F(xiàn)e-Al金屬間化合物的生成和形態(tài)分布還有待于進(jìn)一步研究。為此，本文通過(guò)采用脈沖Nd:YAG激光深熔焊和連續(xù)二極管激光熔釬焊的方法進(jìn)行了鋁鋼焊接試驗(yàn)。
　　本文首先進(jìn)行了脈沖Nd:YAG鋁鋼激光深熔焊試驗(yàn)。由于脈沖Nd:YAG熱輸入量很小，有利于控制金屬間化合物形成和生長(zhǎng)，因而著重分析了金屬間化合物隨工藝參數(shù)變化的機(jī)理

3、。通過(guò)調(diào)整試驗(yàn)工藝參數(shù)，獲得了兩種典型的接頭——深熔深和淺熔深接頭。界面金屬間化合物由深熔深接頭的富Al相變化為淺熔深接頭的富Fe相，接頭承載力隨之增加。通過(guò)SEM和EDS分析，揭示了界面反應(yīng)的機(jī)理。Fe元素和Al元素隨熱輸入增加在熔合區(qū)/Al界面的相互擴(kuò)散作用加劇，改變了界面冶金反應(yīng)，進(jìn)而改變了金屬間化合物的生成種類(lèi)。由于在深熔焊模式下，盡管熱輸入量小，但鋼和鋁都發(fā)生了熔化，使得Fe-Al金屬間化合物生成量增加。此外，深熔焊模式由于小

4、孔形成后難以穩(wěn)定存在，使得焊接過(guò)程不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生焊接缺陷。以上這些因素都將惡化接頭力學(xué)性能。
　　進(jìn)一步，選用了焊接過(guò)程更為穩(wěn)定的激光熱傳導(dǎo)模式進(jìn)行焊接試驗(yàn)和研究。采用連續(xù)二極管激光進(jìn)行了鋁鋼熔釬焊試驗(yàn)，并在試驗(yàn)中加入了含有不同合金元素的釬料。激光熔釬焊中所添加的合金元素，有利于控制金屬間化合物的生成類(lèi)型和分布。因此，除分析了金屬間化合物隨熱輸入變化的機(jī)制外，還著重分析了金屬間化合隨合金元素的變化的機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明，釬焊界面金

5、屬間化合物的形貌和種類(lèi)隨熱輸入變化而變化，并將影響接頭的力學(xué)性能和斷裂模式。采用中低功率激光時(shí)，釬焊界面皆由θ-Fe(Al,Si)3和τ5-Al7.2Fe1.8Si構(gòu)成。而采用高功率激光時(shí)，釬焊界面由θ-Fe(Al,Si)3，τ5-Al7.2Fe1.8Si和η-Fe2(Al,Si)5組成，并伴有微裂紋產(chǎn)生。通過(guò)EDS線(xiàn)掃描分析，發(fā)現(xiàn)在熔釬焊方法過(guò)程中釬焊界面金屬間化合物的形成和生長(zhǎng)主要是依賴(lài)于固態(tài)鋼中Fe元素向液態(tài)熔合區(qū)的擴(kuò)散，在擴(kuò)散初

6、期只會(huì)引起金屬間化合物形貌的變化，但隨著擴(kuò)散的進(jìn)行，將最終引起金屬間化合物類(lèi)型的改變。Zn元素的加入使得釬焊界面金屬間化合物的種類(lèi)發(fā)生了本質(zhì)的改變。釬焊界面由層狀的Fe2Al5和針狀的FeAl3變?yōu)閷訝畹腇e2Al5-xZnx，彌散分布的FeZn10以及少量的富Al非晶結(jié)構(gòu)。這一變化提升了接頭承載力并改變了斷裂模式。通過(guò)硬度測(cè)試揭示FeZn10對(duì)接頭力學(xué)性能和斷裂模式的影響，由于FeZn10性質(zhì)軟韌，能夠通過(guò)塑性變形吸收斷裂能，從而防止

7、界面開(kāi)裂，提高接頭承載力?；跓崃W(xué)理論計(jì)算，確定了金屬間化合物的生成順序，并分析了金屬間化合物隨激光熱輸入和合金元素的演化機(jī)制。
　　最后，深入分析了金屬間化合物厚度、種類(lèi)和分布對(duì)斷裂模式的影響機(jī)理。基于界面晶面間距失配率與界面能和界面強(qiáng)度的相關(guān)性理論，采用邊對(duì)邊晶體匹配模型，計(jì)算了各反應(yīng)相界面上的晶面間距失配率，估算并比較了不同界面的結(jié)合強(qiáng)度，從而預(yù)測(cè)了接頭界面斷裂模式的機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)晶面間距失配率越高，界面能越高，界面結(jié)合強(qiáng)