铝/钢异种金属的激光焊接及喷丸对接头组织和性能的影响研究
发布时间：2021-04-09 07:42
铝/钢异种材料的焊接是实现汽车轻量化的关键,但由于Al和Fe在焊接过程中易生成脆性的Fe-Al金属间化合物相,恶化接头的力学性能,成为了其应用的主要障碍。激光焊接具有能量密度高、加热速度快、加热范围小、焊接热影响区小并且精度高易于控制的特点,控制热输入可以在一定程度上抑制铝/钢焊接过程中金属间化合物的形成。但是焊接过程中温度场变化快、焊缝组织性能不均匀等问题仍很大程度上影响着接头的性能。研究表明,采用喷丸的方式处理焊接接头可以细化表层晶粒,使接头表面组织均一化,改善接头的力学性能。因此本文采用旋转加速喷丸技术对激光焊接后的铝/钢接头进行处理,并测定喷丸前后焊接接头的表层及内部的组织组成和力学性能变化,研究喷丸对铝/钢接头力学性能的影响。本文使用YLR连续型光纤激光器及DX200六轴联动机器人对2mm的6061铝合金和1mm的Q235钢进行搭接焊,研究激光功率、焊接速度及离焦量等参数对接头的影响。使用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）对接头的组织形貌进行观察,使用能谱（EDS）、X射线衍射（XRD）等仪器分析接头金属间化合物层的组织成分,通过显微硬度和拉伸实验评定接头的力学性能...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Fe-Al二元相图[13]
1绪论硕士学位论文4阔的应用前景，因此国内外学者对此开展了大量的研究。主要针对于探索铝钢异种焊接新的方法以及通过新的工艺来抑制金属间化合物的产生。1.3.1铝/钢固相焊固相焊是指对母材施加一定的压力、温度或摩擦的方法实现连接的方法。在焊接过程中不形成液相，即使有少量液相，也不是实现连接的主导机制。这种方法可以避免液态的铝和钢直接接触，抑制金属间化合物的形成。目前用于铝/钢异种金属焊接的固相焊方式有扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊等。a)Fe侧界面“齿尖”状b)Al侧界面“齿尖”状c)560℃、0.5hd)EDS结果图1.2扩散焊下接头界面形貌[16]扩散焊指在一定温度和压力下，在真空或保护气体中，将母材表面相互靠近，利用被连接表面产生的微观塑性形变和原子互相扩散来实现金属的连接。王敬[16]等人采用真空扩散焊实现了纯Fe和纯Al的异种金属连接。结果表明，金属间化合物层主要以“齿尖”的形式增长(图1.2a、图1.2b)；接头界面处铁、铝元素浓度均沿母材向界面过渡区逐渐减小，存在三段明显不同的浓度分布区域，在加热温度560℃、保温时间0.5h的条件下反应区存在双层结构(图1.2c、图1.2d)；通过反应动力学分析推断出560℃时不同相的生长速度VFeAl2<VFeAl<VFeAl3<VFe2Al5。
1绪论硕士学位论文8达到铝母材的80%；在铝/钢界面上层存在少量金属间化合物，中部和底部不存在金属间化合物；在钢与铝界面处可以观察到随着搅拌头摩擦而剥落的铁氧化物，如图1.6所示。黄体方[25]等研究了一种名为铆接辅助搅拌摩擦焊的新方法，实现了6082-T4铝合金与QSTE340TM钢的异种连接。研究结果表明，焊接头由焊核区、热机影响区、热影响区、母材和自铆接结构区组成，塑性铝合金的填孔行为被分为四个阶段，填充每一个孔的过程就是重复第二到第四阶段的过程；预置SiC/2024铝基复合材料棒铆钉结构，可以提高接头承载性能；断裂发生在铝侧的SiC混合区与热影响区分界处，由于界限左侧局部SiC混合区弹性模量高于铝合金，拉伸过程中，该处发生变形成为裂纹源；接头连接机制包括宏观机械结合、微观机械结合(如图1.6所示)和冶金结合。图1.6自铆接搅拌摩擦焊焊接过程示意图与微观机械结合机制[25]综上所述，采用固相焊的方法可以实现铝/钢异种焊接，且在一定程度上抑制金属间化合物的产生。但固相焊时，对母材接触面精度、焊接形状和尺寸要求比较严格，无法实现复杂形状零件的焊接；另外，搅拌摩擦焊的搅拌头容易损坏。因此，固相焊在异种金属焊接的应用上受到了一定的限制。1.3.2铝/钢熔钎焊熔钎焊是利用两种材料的熔点差异，焊接热源熔化低熔点的母材，而高熔点的母材仍维持固态，熔化的母材填充并润湿铺展在未熔化的母材表面发生冶金反应从而实现材料的永久性连接。由于钢材未熔化，金属间化合物含量有限，因此熔钎焊可以实现异种材料的连接。通常采用的熔钎焊方法有TIG熔钎焊、MIG熔钎焊，这种方法焊接设备操作简单、成本低廉，也得到了一定的应用。Song[26]等人实现了5A06铝合金与不锈钢的TIG熔钎焊，研究了分别使用1100纯铝?
【参考文献】：
期刊论文
[1]加快汽车轻量化材料创新发展[J]. 王本力,曾昆. 新材料产业. 2018(10)
[2]新型铝钢搅拌摩擦焊对接工艺分析[J]. 张忠科,胥春龙,彭军,于洋,王希靖. 轻合金加工技术. 2017(04)
[3]铝/钢爆炸焊复合板界面裂纹的扩展路径[J]. 李有堂,李浩勇,宋鸣. 兰州理工大学学报. 2016(05)
[4]铝/钢搅拌摩擦焊对接焊缝组织及机理研究[J]. 王希靖,邓向斌,王磊,景文霞. 材料科学与工艺. 2015(05)
[5]铝、镁合金材料在汽车工业中的应用[J]. 党春梅,谢卫东. 热加工工艺. 2011(04)
[6]7A52铝合金焊接接头表面纳米化前后的性能分析[J]. 逯瑶,陈芙蓉,解瑞军. 焊接学报. 2011(01)
[7]汽车车身用铝合金与钢的异种材料电阻点焊技术研究现状[J]. 邱然锋,石红信,张柯柯,朱锦洪,李建军. 电焊机. 2010(05)
[8]铝/钢激光-MIG复合热源熔-钎连接试验研究[J]. 雷振,王旭友,游爱清,秦国梁,王威,林尚扬. 稀有金属材料与工程. 2009(S3)
[9]表面纳米化对SS400钢焊接接头应力腐蚀性能的影响[J]. 李东,陈怀宁,徐宏. 焊接学报. 2009(03)
[10]车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J]. 龙江启,兰凤崇,陈吉清. 机械工程学报. 2008(06)
博士论文
[1]薄板激光深熔焊接熔透模式的机理研究[D]. 方俊飞.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于界面调控的铝/钢异种金属激光填丝熔钎焊工艺及机理研究[D]. 孟圣昊.哈尔滨工业大学 2017
[2]铝/钢铆接辅助搅拌摩擦焊接头界面行为及承载特性分析[D]. 黄体方.哈尔滨工业大学 2017
[3]旋转加速喷丸表面纳米化工业纯铝和纯铜的制备工艺与性能研究[D]. 徐海璐.南京理工大学 2015
[4]铝合金A6061与低碳钢Q235的电阻点焊研究[D]. 杜宜乐.河南科技大学 2012
[5]Fe/Al异种金属扩散焊界面形成机理研究[D]. 王敬.江苏科技大学 2012
[6]7A52铝合金焊接接头表面纳米化前后组织与性能研究[D]. 逯瑶.内蒙古工业大学 2010
[7]7A52超硬铝合金焊接接头表面纳米化的试验研究[D]. 何静.内蒙古工业大学 2009
本文编号：3127223
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Fe-Al二元相图[13]
1绪论硕士学位论文4阔的应用前景，因此国内外学者对此开展了大量的研究。主要针对于探索铝钢异种焊接新的方法以及通过新的工艺来抑制金属间化合物的产生。1.3.1铝/钢固相焊固相焊是指对母材施加一定的压力、温度或摩擦的方法实现连接的方法。在焊接过程中不形成液相，即使有少量液相，也不是实现连接的主导机制。这种方法可以避免液态的铝和钢直接接触，抑制金属间化合物的形成。目前用于铝/钢异种金属焊接的固相焊方式有扩散焊、爆炸焊、搅拌摩擦焊等。a)Fe侧界面“齿尖”状b)Al侧界面“齿尖”状c)560℃、0.5hd)EDS结果图1.2扩散焊下接头界面形貌[16]扩散焊指在一定温度和压力下，在真空或保护气体中，将母材表面相互靠近，利用被连接表面产生的微观塑性形变和原子互相扩散来实现金属的连接。王敬[16]等人采用真空扩散焊实现了纯Fe和纯Al的异种金属连接。结果表明，金属间化合物层主要以“齿尖”的形式增长(图1.2a、图1.2b)；接头界面处铁、铝元素浓度均沿母材向界面过渡区逐渐减小，存在三段明显不同的浓度分布区域，在加热温度560℃、保温时间0.5h的条件下反应区存在双层结构(图1.2c、图1.2d)；通过反应动力学分析推断出560℃时不同相的生长速度VFeAl2<VFeAl<VFeAl3<VFe2Al5。
1绪论硕士学位论文8达到铝母材的80%；在铝/钢界面上层存在少量金属间化合物，中部和底部不存在金属间化合物；在钢与铝界面处可以观察到随着搅拌头摩擦而剥落的铁氧化物，如图1.6所示。黄体方[25]等研究了一种名为铆接辅助搅拌摩擦焊的新方法，实现了6082-T4铝合金与QSTE340TM钢的异种连接。研究结果表明，焊接头由焊核区、热机影响区、热影响区、母材和自铆接结构区组成，塑性铝合金的填孔行为被分为四个阶段，填充每一个孔的过程就是重复第二到第四阶段的过程；预置SiC/2024铝基复合材料棒铆钉结构，可以提高接头承载性能；断裂发生在铝侧的SiC混合区与热影响区分界处，由于界限左侧局部SiC混合区弹性模量高于铝合金，拉伸过程中，该处发生变形成为裂纹源；接头连接机制包括宏观机械结合、微观机械结合(如图1.6所示)和冶金结合。图1.6自铆接搅拌摩擦焊焊接过程示意图与微观机械结合机制[25]综上所述，采用固相焊的方法可以实现铝/钢异种焊接，且在一定程度上抑制金属间化合物的产生。但固相焊时，对母材接触面精度、焊接形状和尺寸要求比较严格，无法实现复杂形状零件的焊接；另外，搅拌摩擦焊的搅拌头容易损坏。因此，固相焊在异种金属焊接的应用上受到了一定的限制。1.3.2铝/钢熔钎焊熔钎焊是利用两种材料的熔点差异，焊接热源熔化低熔点的母材，而高熔点的母材仍维持固态，熔化的母材填充并润湿铺展在未熔化的母材表面发生冶金反应从而实现材料的永久性连接。由于钢材未熔化，金属间化合物含量有限，因此熔钎焊可以实现异种材料的连接。通常采用的熔钎焊方法有TIG熔钎焊、MIG熔钎焊，这种方法焊接设备操作简单、成本低廉，也得到了一定的应用。Song[26]等人实现了5A06铝合金与不锈钢的TIG熔钎焊，研究了分别使用1100纯铝?
【参考文献】：
期刊论文
[1]加快汽车轻量化材料创新发展[J]. 王本力,曾昆. 新材料产业. 2018(10)
[2]新型铝钢搅拌摩擦焊对接工艺分析[J]. 张忠科,胥春龙,彭军,于洋,王希靖. 轻合金加工技术. 2017(04)
[3]铝/钢爆炸焊复合板界面裂纹的扩展路径[J]. 李有堂,李浩勇,宋鸣. 兰州理工大学学报. 2016(05)
[4]铝/钢搅拌摩擦焊对接焊缝组织及机理研究[J]. 王希靖,邓向斌,王磊,景文霞. 材料科学与工艺. 2015(05)
[5]铝、镁合金材料在汽车工业中的应用[J]. 党春梅,谢卫东. 热加工工艺. 2011(04)
[6]7A52铝合金焊接接头表面纳米化前后的性能分析[J]. 逯瑶,陈芙蓉,解瑞军. 焊接学报. 2011(01)
[7]汽车车身用铝合金与钢的异种材料电阻点焊技术研究现状[J]. 邱然锋,石红信,张柯柯,朱锦洪,李建军. 电焊机. 2010(05)
[8]铝/钢激光-MIG复合热源熔-钎连接试验研究[J]. 雷振,王旭友,游爱清,秦国梁,王威,林尚扬. 稀有金属材料与工程. 2009(S3)
[9]表面纳米化对SS400钢焊接接头应力腐蚀性能的影响[J]. 李东,陈怀宁,徐宏. 焊接学报. 2009(03)
[10]车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J]. 龙江启,兰凤崇,陈吉清. 机械工程学报. 2008(06)
博士论文
[1]薄板激光深熔焊接熔透模式的机理研究[D]. 方俊飞.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]基于界面调控的铝/钢异种金属激光填丝熔钎焊工艺及机理研究[D]. 孟圣昊.哈尔滨工业大学 2017
[2]铝/钢铆接辅助搅拌摩擦焊接头界面行为及承载特性分析[D]. 黄体方.哈尔滨工业大学 2017
[3]旋转加速喷丸表面纳米化工业纯铝和纯铜的制备工艺与性能研究[D]. 徐海璐.南京理工大学 2015
[4]铝合金A6061与低碳钢Q235的电阻点焊研究[D]. 杜宜乐.河南科技大学 2012
[5]Fe/Al异种金属扩散焊界面形成机理研究[D]. 王敬.江苏科技大学 2012
[6]7A52铝合金焊接接头表面纳米化前后组织与性能研究[D]. 逯瑶.内蒙古工业大学 2010
[7]7A52超硬铝合金焊接接头表面纳米化的试验研究[D]. 何静.内蒙古工业大学 2009
本文编号：3127223
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