镁合金/镀锌钢异种材料激光熔钎焊特性研究

论文摘要

为了实现汽车轻量化的目标,镁合金和高强镀锌钢在汽车工业中的应用越来越广泛,因而镁合金/镀锌钢的连接将是一个不可避免的问题。而镁与钢的物理性能差异大,没有冶金反应,使此二种材料的焊接变得非常困难,再加上镀锌层的影响,焊接过程变得更加复杂。本文采用激光熔钎焊的方法,选择了Mg焊丝作为填充钎料来开展镁合金/镀锌钢的连接特性研究。针对激光光斑尺寸小,焊接工艺要求严格的问题,基于图像传感技术在线监测了焊接过程,分析了焊接过程不稳定的主要影响因素。通过调整工艺条件与焊接参数,获得了成形良好的焊缝。考虑到熔钎焊过程局部热输入情况对钎料润湿铺展特性有重要影响,本文重点研究了单/双光束、钎剂、工艺参数等对钎料润湿铺展能力和接头力学性能的影响规律。试验结果表明,双光束非常有利于获得高性能接头。为保证焊缝成形,本试验条件下钎剂是不可缺少的。在预涂钎剂条件下,通过调整工艺参数,最大的接头系数达到了AZ31镁合金母材的73.1%。界面层是整个接头的薄弱部位,由于激光的局部加热特征,界面层的厚度分布极不均匀。焊趾处富锌区的厚度最大,为200～250μm,激光直接作用区的界面层最薄,仅为0～5μm。XRD分析结果表明,界面处相种类有β-MgZn、γ-Mg7Zn3、η-MgZn2、θ-Mg2Zn11等。确认了均匀反应区的组织为α-Mg+β-MgZn的共析组织,富锌区尾部的组织为α-Mg+β-MgZn的共析组织和η-MgZn2初晶相,富锌区尖端连续分布的是η-MgZn2初晶相+θ-Mg2Zn11包晶组织。对拉剪试验的断口进行了分析,发现镁合金/镀锌钢搭接接头有三种断裂方式:界面处断裂、焊缝处断裂、混合型断裂。在SEM电镜下采用原位拉伸的方法对裂纹的萌生和动态扩展进行了观察,发现在连续分布的界面层区域,裂纹主要沿镀锌层与钢母材之间开裂,在激光直接辐照区镀锌钢熔化形成的U型区有阻碍裂纹扩展作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 镁/钢的焊接性
• 1.3 镁及镁合金的焊接
• 1.3.1 TIG/MIG 焊
• 1.3.2 搅拌摩擦焊
• 1.3.3 激光焊
• 1.4 镀锌钢的焊接
• 1.4.1 电阻焊
• 1.4.2 激光焊
• 1.4.3 钎焊
• 1.5 镁/钢异种材料的焊接
• 1.5.1 激光-TIG 复合焊
• 1.5.2 搅拌摩擦焊
• 1.5.3 电阻点焊
• 1.6 激光熔钎焊的研究现状
• 1.7 课题的主要内容
• 第2章 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 母材
• 2.1.2 填充材料的选取
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验方法
• 2.4 微观分析和性能检测
• 2.4.1 微观组织分析
• 2.4.2 力学性能测试
• 第3章 镁合金/锌钢激光熔钎焊工艺研究
• 3.1 激光熔钎焊过程监测
• 3.1.1 表面成形不良的原因分析
• 3.1.2 获得良好成形的必要条件
• 3.2 单光束激光熔钎焊
• 3.3 双光束激光熔钎焊
• 3.3.1 双光束基本原理
• 3.3.2 无钎剂条件下的双光束激光熔钎焊
• 3.3.3 预涂钎剂条件下的激光熔钎焊
• 3.4 接头缺陷分析
• 3.4.1 裂纹
• 3.4.2 气孔和未焊合
• 3.4.3 氧化
• 3.5 本章小结
• 第4章 镁合金/镀锌钢激光熔钎焊接头的界面特性
• 4.1 界面微观组织分布特征
• 4.2 热输入对界面微观组织的影响
• 4.2.1 激光功率
• 4.2.2 光束偏移量对界面微观组织的影响
• 4.3 界面微观组织及物相结构分析
• 4.4 界面反应层生长机理
• 4.5 接头显微硬度
• 4.6 本章小结
• 第5章 镁合金/镀锌钢激光熔钎焊接头的断裂行为
• 5.1 接头断裂方式与焊缝强度特征
• 5.2 界面处断裂
• 5.3 焊缝处断裂
• 5.4 混合型断裂
• 5.5 裂纹萌生与扩展的原位观察
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢