鋁鋼異種材料激光焊接工藝與機理研究.pdf

1、在環(huán)境和能源問題日益嚴峻的今天，實現(xiàn)汽車輕量化，受到各大汽車廠商的關注；如何實現(xiàn)鋁鋼的可靠連接，加快輕質(zhì)鋁合金材料在汽車中的應用，已成為該領域的關鍵技術之一。然而，鋁鋼之間諸如熔點，密度和線脹系數(shù)等性質(zhì)差異很大，焊后冷卻過程中，容易開裂；而且，兩者冶金反應生成的硬脆Fe-Al金屬間化合物，將加劇接頭的開裂，降低接頭的力學性能。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理和控制一直是研究重點之一。
　　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，一定程度上可以控制異種材料連接過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)分布還有待于進一步研究。為此，本文通過采用脈沖Nd:YAG激光深熔焊和連續(xù)二極管激光熔釬焊的方法進行了鋁鋼焊接試驗。
　　本文首先進行了脈沖Nd:YAG鋁鋼激光深熔焊試驗。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，因而著重分析了金屬間化合物隨工藝參數(shù)變化的機理

3、。通過調(diào)整試驗工藝參數(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SEM和EDS分析，揭示了界面反應的機理。Fe元素和Al元素隨熱輸入增加在熔合區(qū)/Al界面的相互擴散作用加劇，改變了界面冶金反應，進而改變了金屬間化合物的生成種類。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性能。
　　進一步，選用了焊接過程更為穩(wěn)定的激光熱傳導模式進行焊接試驗和研究。采用連續(xù)二極管激光進行了鋁鋼熔釬焊試驗，并在試驗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型和分布。因此，除分析了金屬間化合物隨熱輸入變化的機制外，還著重分析了金屬間化合隨合金元素的變化的機理。試驗結果表明，釬焊界面金

5、屬間化合物的形貌和種類隨熱輸入變化而變化，并將影響接頭的力學性能和斷裂模式。采用中低功率激光時，釬焊界面皆由θ-Fe(Al,Si)3和τ5-Al7.2Fe1.8Si構成。而采用高功率激光時，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EDS線掃描分析，發(fā)現(xiàn)在熔釬焊方法過程中釬焊界面金屬間化合物的形成和生長主要是依賴于固態(tài)鋼中Fe元素向液態(tài)熔合區(qū)的擴散，在擴散初

6、期只會引起金屬間化合物形貌的變化，但隨著擴散的進行，將最終引起金屬間化合物類型的改變。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非晶結構。這一變化提升了接頭承載力并改變了斷裂模式。通過硬度測試揭示FeZn10對接頭力學性能和斷裂模式的影響，由于FeZn10性質(zhì)軟韌，能夠通過塑性變形吸收斷裂能，從而防止

7、界面開裂，提高接頭承載力?；跓崃W理論計算，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制。
　　最后，深入分析了金屬間化合物厚度、種類和分布對斷裂模式的影響機理。基于界面晶面間距失配率與界面能和界面強度的相關性理論，采用邊對邊晶體匹配模型，計算了各反應相界面上的晶面間距失配率，估算并比較了不同界面的結合強度，從而預測了接頭界面斷裂模式的機制。研究發(fā)現(xiàn)晶面間距失配率越高，界面能越高，界面結合強