铝—镀锌钢异种金属激光熔钎焊工艺与接头组织性能研究

发布时间：2020-06-05 07:38

【摘要】：在节能减排问题备受关注的今天,汽车工业提出了汽车轻量化概念。用高强铝合金代替传统钢材,形成钢-铝一体化车架结构被认为是可行的措施。铝钢之间物理化学性能差异较大,且两者在焊接过程中会发生冶金反应,生成脆性金属间化合物,降低接头力学性能。因此,铝合金和钢材料的异种金属焊接问题已成为汽车车身研发的关键。激光焊具有热输入量小,冷却速度快,自动化程度高等优点被广泛用于汽车工业。其中铝-钢异种金属激光熔钎焊方法一定程度上可控制异种材料连接过程中的金属间化合物生成。然而在激光熔钎焊中,铝-钢界面组织的形态分布和生长规律、接头力学性能与断口特性还有待进一步研究。本文首先进行了自熔性激光铝-镀锌钢异种金属熔钎焊全因素实验,建立了焊接工艺窗口。详细研究了线能量对铝-镀锌钢板激光熔钎焊接头成型、微观组织和力学性能的影响。随着线能量的增大,焊缝成型变差;铝合金内Fe含量明显升高,组织变为树须状;钎接界面生成两种新组织,即星状IMC和骨架IMC,且生成一种新相FeAl。星状IMC对力学性能的影响可以忽略,骨架IMC则是微裂纹形成的决定性因素,其显著降低了接头力学性能。随着线能量的增大焊缝抗拉力变差,在小线能量条件下,抗拉力达1.7kN。针对不同形态IMC,结合模拟得到的铝-钢界面温度分布和提出的Fe-Al接头组织凝固模式,发现IMC的形貌受温度变化、铁原子分布和局部成分过冷的综合影响。进而阐明了铝-钢异种接头原子扩散模式同金属间化合物生长模式的相关性规律。进一步,选用了CuSi_3、AlSi1_2和ZnAl_(15)焊丝进行铝-镀锌钢板激光填丝熔钎焊实验,优化了焊接工艺参数,分析了激光功率、焊接速度和送丝速度对复合接头成型的影响规律,针对界面显微组织进行深入研究。填充CuSi_3焊丝的铝钢接头存在铜/铝过渡区,该区域由Cu_9Al_4和CuAl_2两种金属间化合物构成,是接头薄弱区。填充AlSi_(12)焊丝的铝钢接头钎接界面仅有层状IMC和针状IMC组成,平均厚度2-10μm。焊接参数匹配条件下,激光功率越小,焊接速度越大,送丝速度越大时,界面IMC量越少。Si元素参与了界面反应,界面物相由Fe_2(Al,Si)_5、Fe(Al,Si)_3和Al_8Fe_2Si组成。填充ZnAl_(15)焊丝的铝钢接头钎接界面仅有层状IMC,平均厚度12μm。随焊接参数的变化不大。钎接界面主要由Fe_2Al_5Zn_(0.4)组成。最后,对激光填丝熔钎焊焊缝力学性能进行测试,着重分析了断口特性。填充CuSi_3焊丝时,断裂发生在铜铝过渡区的粗大骨架状区域,接头最大拉伸力达1.23kN。填充AlSi_(12)焊丝时,断裂位置有多种,焊缝中的铝合金根部未熔合、锌气孔、铝-钢根部局部未钎合、焊趾显微裂纹等缺陷和生成的硬脆IMC相将成为裂纹源,诱发接头断裂。接头最大拉伸力达2.48kN。填充ZnAl_(15)焊丝时,断裂位置仍有多种,断口均无明显弱化区域,说明铝合金钎接性能得到改善。当断裂发生在铝合金母材区域时,接头抗拉力达到3kN。研究发现填充ZnAl_(15)焊丝是提升接头力学性能的最佳方式。
【图文】：

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图 2-1 焊接设备（a）IPG-YLR-4000 光纤激光器（b）YW50 激光焊接头图 2-2 焊接设备（a）福尼斯 TPS4000 数字化焊机（b）送丝机（c）ABB 机器人（d）ABB 控制柜统平台搭建结合现有设备搭建出一个性能良好的实验平台，实现各设备示。该实验平台可以满足两方面的实验要求：一是自熔性激

数字化焊机,送丝机,尼斯,焊接设备

图 2-2 焊接设备（a）福尼斯 TPS4000 数字化焊机（b）送丝机（c）ABB 机器人（d）ABB 控制柜2.1.2 实验系统平台搭建本论文结合现有设备搭建出一个性能良好的实验平台，，实现各设备协调工作如图 2-3 所示。该实验平台可以满足两方面的实验要求：一是自熔性激光熔钎焊激光由激光器发射，经传输光纤到达激光焊接头，完成聚焦；将激光焊接头安装机器人机械手前端法兰盘上，随着机器人运动，可以实现三维焊接。二是激光填熔钎焊。在自熔性激光熔钎焊装置基础上，加入送丝系统，该系统包括焊机、送机与送丝枪等部件。通过自制固定装置将送丝枪固定于机器人上，随着机器人的动，实现与焊接头的同步运动，从而在焊接过程中实现光-丝旁轴耦合。在焊接过程中，为了减少飞溅对激光焊接头的污染，需要使用压缩空气；为减少焊接时焊缝的被氧化，需要使用保护气体。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG456.7

【参考文献】