镁/钢异种金属激光-TIG复合热源铜锌夹层对接焊研究

论文摘要

镁合金以其优异的性能已被考虑作为潜在的结构材料应用于汽车工业,已到达节能减排作用。然而,钢材仍然是当今应用最为广泛的结构材料。实现镁钢异种金属有效的焊接连接将扩展镁合金在汽车工业的应用范围。然而由于镁钢之间巨大的熔沸点差异和溶解度几乎为零的特点,实现镁钢之间的焊接尚存在较大困难。为此,实现具有优异力学性能的镁钢异种金属焊接吸引业内专家学者的兴趣。本研究团队前期研究成果表明,利用激光-TIG复合热源焊接技术,添加夹层金属,成功实现镁钢异种金属搭接结构的焊接连接,接头剪切强度最高达170MPa。前期研究主要针对于镁钢搭接结构,尚未涉及镁钢对接结构。为使镁钢焊接结构具有更广泛的应用空间,本文重点研究镁钢异种金属对接结构焊接。本文以AZ31B镁合金和Q235钢为研究对象,选用铜锌合金箔作为夹层,采用激光-TIG复合热源焊接技术对镁/钢异种金属进行焊接研究。研究了镁钢异种金属斜口对接焊焊接工艺,实现由搭接结构焊接工艺过渡至对接结构焊接工艺,发现并改善焊接工艺的不足,为最终实现镁钢异种金属对接结构的焊接奠定基础。利用激光-TIG复合热源焊接技术的梯度热源焊接特性,采用激光在前、TIG在后的作用方式,赋予焊接热源偏移量,成功实现AZ31/Q235镁钢异种金属薄板对接焊的全冶金焊接连接,接头抗拉强度达203MPa。试验中发现镁钢界面处存在较明显的铝元素富集现象,为研究铝元素对镁钢焊接的影响,我们采用ZK60镁合金板材,在同样工艺下实现与Q235钢的焊接连接。ZK60为不含铝元素的镁锌系镁合金,因此可用于研究材料中铝元素的作用。研究发现镁合金中铝成分对镁钢对接接头性能的提高具有显著影响,ZK60/Q235接头的抗拉强度仅为93MPa。铝元素在镁钢界面钢表面的富集使界面结合力显著增强；当无铝元素时,镁钢界面虽存在一定的结合力,但结合强度不高。进一步探索镁钢焊接接头的高强度界面结合的机制。铜锌夹层的添加,特别是锌元素的添加,可以显著降低镁钢界面处铁铝元素的反应温度,为界面反应层的形成提供温和适宜的反应环境。此外,铜锌元素的添加促进镁钢界面反应层的形成。AZ31/Q235镁钢异种金属的高强度界面结合归功于以下两方面的协同作用：一、铜元素在界面处钢中形成铜在钢中的固溶体,铜又与镁发生反应,为镁钢异种金属之间建立过渡连接“桥梁”。二、镁合金中铝元素成分的存在,使镁钢界面处钢表面形成包含铁、铝、镁、铜、锌（大约为3.66%Fe,11.09%Al,28.38%Mg,37.10%Cu和19.77%Zn（wt.））的界面反应层；界面反应层的形成,进一步提高镁钢界面的结合强度,进而显著增加接头的力学性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究意义及背景
• 1.2 镁/钢异种金属的焊接性
• 1.3 镁合金与钢异种金属焊接的研究现状
• 1.3.1 搅拌摩擦焊（FSW）
• 1.3.2 搅拌摩擦点焊（FSSW）
• 1.3.3 电阻焊（RSW）
• 1.3.4 扩散钎焊（DB）
• 1.3.5 激光深熔钎焊（LPB）
• 1.3.6 激光搭接焊（LLW）
• 1.3.7 激光电弧复合热源搭接焊（HLW）
• 1.4 本文研究思路及主要内容
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 主要内容
• 2 实验材料、设备及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备及方法
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 实验方法与参数
• 2.2.3 拉伸强度测试
• 2.2.4 微观组织及元素分析
• 2.2.5 XRD物相分析
• 3 镁合金/钢的激光-TIG复合热源夹层斜口对接焊
• 3.1 夹层的选定
• 3.2 镁合金/钢的激光-TIG复合热源夹层斜口对接焊可行性实验
• 3.2.1 工艺参数对焊接成形的影响
• 3.2.2 接头显微组织的特点
• 3.2.3 接头元素及物相分析
• 3.2.4 接头的力学性能
• 3.3 本章小结
• 4 镁合金/钢的激光-TIG复合热源夹层对接焊
• 4.1 主要工艺参数对焊缝成形的影响
• 4.1.1 热源偏移量对焊缝成形的影响
• 4.1.2 激光脉宽对焊缝成形的影响
• 4.2 主要工艺参数对接头显微组织的影响
• 4.2.1 热源偏移量对接头显微组织的影响
• 4.2.2 激光脉宽对接头显微组织的影响
• 4.3 主要工艺参数对接头力学性能的影响
• 4.3.1 热源偏移量对接头力学性能的影响
• 4.3.2 激光脉宽对接头力学性能的影响
• 4.4 镁合金/钢对接接头的显微组织分析
• 4.5 镁合金/钢接头的元素分布及界面分析
• 4.6 本章小结
• 5 镁合金/钢激光-TIG复合热源夹层对接焊的接头界面结合机理
• 5.1 镁合金中的铝元素对镁/钢异种金属焊接的影响
• 5.1.1 实验方案的设计
• 5.1.2 铝元素对镁/钢接头力学性能与断裂位置的影响
• 5.1.3 铝元素对镁/钢接头显微组织的影响
• 5.1.4 铝元素对镁/钢接头界面元素分布的影响
• 5.2 镁合金/钢异种金属对接焊接接头的界面结合机理分析
• 5.2.1 镁/钢直接焊焊接接头的力学性能与断裂位置
• 5.2.2 夹层元素在镁/钢焊接接头的作用
• 5.2.3 依据相图讨论的界面结合机理分析
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢