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基于夹层设计的镁合金与钢、铝合金激光-TIG复合焊接研究

齐晓冬  
【摘要】:镁合金作为最轻的结构材料之一,以其优异的性能不断地吸引着人们的注意,因此其在工业生产领域中具有巨大的应用潜力。在当前以钢、铝合金为主导的工业领域中,镁合金的应用将不可避免地会遇到与两者进行焊接的问题。异种材料的焊接通常会提高构件的灵活性、适应性等性能,人们对其需求亦与日俱增,因而镁合金与其它异种材料的焊接,如镁/铝合金、镁合金/钢等的焊接逐渐受到人们的重视。镁、铁元素的熔、沸点及晶体结构差异巨大,同时两者无相互作用——固溶或反应,因此以熔化焊的方式将镁合金与钢连接起来将面临焊接性的问题。虽然镁、铝元素的物理性能较为接近,但是以熔化焊的方式连接起来时,通常会产生大量严重恶化接头性能的脆性相,因而镁/铝合金的焊接将面临如何有效地抑制中间相生成的问题。激光-TIG复合热源焊接是一种熔化焊接技术,其将激光焊与TIG焊有机地结合起来,可以实现与激光焊相当的焊接速率,并获得远大于TIG焊或激光焊的熔深。考虑到镁与铁、铝元素间作用的问题,本文尝试利用激光-TIG复合焊接技术,并采用加入第三方金属夹层的方式,研究了镁合金与钢的搭接焊工艺、连接机理及夹层的选择机制。另外,依据上述思想尝试了加入铁元素的方法来抑制镁、铝元素间的反应,因此还研究了加入铁夹层的镁/铝合金激光-TIG复合热源搭接焊的工艺及连接机理。主要研究内容如下: 研究了复合热源的参数对AZ31B镁合金与Q235钢直接焊接头的剪切强度及微观组织的影响。结果表明,钢侧的熔深对强度具有决定性作用;直接焊接头的最大剪切强度可达115MPa,并确定了较佳的工艺参数。对界面处显微组织的研究发现,直接焊接头的熔化区与钢之间存在着许多微观间隙。断口呈现塑性与脆性的双重特征;断裂路径沿着熔化区与钢的界面。元素分析显示,熔化区与钢的界面上无元素的相互扩散,说明直接焊的接头是以机械连接的方式结合的。 采用纯铜、镍、锡及铜-锌合金(H80与H62)夹层,研究了其对AZ31B镁合金/Q235钢接头组织与性能的影响。结果显示,除了加锡的接头外,加入其它夹层接头的剪切强度均有大幅度的提高,其中加入纯铜夹层接头的剪切强度最高达170 MPa,而加镍、H80及H62接头的剪切强度分别为166、161及159 MPa。锡夹层的加入造成了接头熔化区严重的成分不均,导致接头拉伸断裂,其最大拉伸强度只有117 MPa。提出了镁合金/钢接头的两种结合模式——“半”冶金连接与机械连接。加入纯铜、镍的接头属于“半”冶金连接;而加入锡、铜-锌夹层接头的结合模式为机械连接。与加镍夹层的接头相比,铜夹层的加入使接头得到了强化;与直接焊相比,铜-锌合金夹层加入后,接头得到了明显的强化;但纯铜更适于作为镁合金/钢接头的夹层。另外,加入夹层后的接头具有如下共同特征:熔化区与钢之间的微观间隙消失。断口均为准解理断裂,断裂路径横穿熔化区,但是加锡夹层的接头除外,其断口呈现解理与准解理并存的双重特征,断裂路径沿着焊缝成分不均的位置。 AZ31B镁合金与Q235钢采用激光-TIG复合焊接的连接机理如下:接头中钢侧的熔深对同种类型接头的强度具有决定性,而对于不同种类型接头的强度而言是必要条件或者前提;强化作用对不同种类型接头的强度具有决定性;“半”冶金的结合模式有助于接头剪切强度的提高,但并非决定性因素。夹层加入后,焊缝金属在钢表面的润湿性得以提高,促进了其与钢的结合性,从而消除了微观间隙,有利于接头强度的提高。此外,针对纯铜、镍及铜-锌合金(H62)夹层确立了一定量估算模型,这对于不同厚度的镁合金与钢进行焊接来说具有参考价值。 对AZ61镁合金与Q235钢采用相同的焊接与检测方法,以考查由AZ31B镁合金与Q235钢所得连接机理的适用性。结果显示,加入纯铜、镍夹层接头的最佳剪切强度均有较大幅度的提高;接头内部组织变化、断口特征、接头连接模式及硬度变化与前述情形基本相同,说明AZ31B镁合金与Q235钢的连接机理具有较好的适用性。 对AZ31B镁合金与6061铝合金进行搭接焊的过程中,着重研究了激光的离焦量对铝侧熔深的影响。结果显示,当离焦量为-2 mm时,熔深达到最大约为1.3 mm。在此参数基础上,研究了不同厚度的铁夹层对镁/铝搭接头组织与性能的影响。结果表明,铁夹层的加入大大提高了接头的剪切强度,当其厚度为0.13 mm时,接头剪切强度达到一较大值为100 MPa。微观组织显示,铁夹层的加入避免了熔化区内大量镁-铝中间相的产生,但也生成了另一新的中间相——铝-铁相,这类脆性相的生成亦会恶化接头的性能。因此过厚铁夹层的加入亦不利于接头强度的提高,同时对加入铁夹层接头的极限剪切强度进行了探讨。


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