镁合金与钢激光熔钎焊界面化学反应冶金研究

发布时间：2020-08-26 15:04

【摘要】：镁合金为轻质材料,其比强度、比刚度、减震性好,可代替传统结构钢广泛应用在非承重部件,钢是主要的承重材料,因此研究镁/钢异种金属连接具有重要意义。镁和钢的物理性能及化学性能差异较大,如熔点、热导率、热膨胀系数、晶体结构、原子半径等。因此传统的熔焊方法很难实现对镁与钢的有效连接,易出现裂纹、气孔、塌陷等缺陷。目前镁/钢异种金属之间的连接方法主要有钎焊、TIG熔钎焊、MIG及冷金属过渡等,但这些焊接方法均有不足。而激光光斑尺寸小、能量集中、激光焊接能量易于精准控制和分配、功率密度高,这一焊接方法在异种金属连接领域有独特优势。本文采用激光填丝的熔钎焊方法,对市售2mm的AZ31B镁合金与Q235钢板进行焊接,焊丝选用与镁合金母材材质一致的1.2mm的AZ31镁合金焊丝。AZ31B镁合金母材与不同镀层的钢板进行激光熔钎焊试验,变化激光功率、偏移量、焊接速度等不同工艺参数,观察熔钎焊接头的宏观形貌,使用拉伸仪与显微硬度仪进行力学性能分析,并采用金相显微镜、SEM、EDS、XRD对熔钎焊接头的接头成型及微观组织进行讨论和分析。本文首先讨论不同激光功率、偏移量和焊接速度对镁合金与镀锌钢板熔钎焊接头的影响规律,获得表面成型美观、无明显缺陷的焊缝,从而确定激光熔钎焊最佳工艺参数。熔钎焊接头焊趾富锌区主要由MgZn与MgZn_2脆性相组成,易形成裂纹;均匀反应区主要由(α-Mg+MgZn)共晶组织组成;在拉伸过程及激光直接作用区和拉伸断口处发现了FeAl强化相,但由于数量较少,对接头的强化作用较小;熔钎焊接头处存在气孔、未焊合、裂纹等缺陷,其中裂纹和未焊合对熔钎焊接头力学性能影响较为显著。采用不同激光功率来焊接镁合金与镀铜、镀镍钢,熔钎焊接头微观组织发生改变,力学性能得到大幅度提高。当焊接镀铜钢时,Cu元素能够改善熔融合金在固态钢表面的润湿铺展,熔钎焊接头成型较好。Cu元素能够降低液固转变温度,使界面反应时间延长,能够有效减少未焊合缺陷,从而提高熔钎焊接头强度。镁合金与镀铜钢在激光功率1600W时,熔钎焊接头最佳。焊缝处主要由α-Mg与Mg_2Cu组成,界面层出现(Fe,Cu)Al相,提高接头强度。镁合金与镀镍钢焊接时,Ni元素能够有效改善润湿铺展性能,熔钎焊接头成型较好。熔钎焊接头焊趾处主要为α-Mg、Mg_2Ni相,由焊缝及拉伸断口检测可知,焊缝与界面层处主要由α-Mg、Mg_2Ni与NiAl相组成。NiAl相性能优异,能够改善熔钎焊接头的力学性能,在激光功率1800W时,熔钎焊接头力学性能最佳。通过热力学计算可知,Fe、Al两种元素生成的金属间化合物除了Fe_3Al之外,其他金属间化合物都可以自发生成,且理论上Al含量越高,金属间化合物越易生成。由于界面层中Fe与Al的比例易达到1:1,所以熔钎焊接头中只存在FeAl相。由动力学可知,界面层的生长过程主要由润湿铺展、溶解-扩散阶段、生成-长大阶段和扩散阶段四个阶段组成。由于Zn元素原子半径较小,可以以间隙固溶的方式与Fe-Al相发生反应,生成Fe-Zn-Al相。Cu元素通过置换的方式固溶与FeAl相中,部分Cu原子置换Fe原子,形成少量Al-Cu相,最终形成(Fe,Cu)Al化合物。由于Ni原子与Fe原子无限固溶,在近钢侧界面层中,Fe原子与Ni原子反应生成Fe-Ni固溶体相,在近焊缝侧界面层中Al原子与Ni原子生成NiAl相。
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG454

【相似文献】