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镁合金及镁铝异种金属胶焊技术研究

任大鑫  
【摘要】:随着轻量化目标的提出,镁、铝等轻合金得到了越来越广泛的应用。由于镁、铝合金的大范围应用和交叉使用,镁合金之间以及镁/铝异种金属之间的连接不可避免。特别是在航空航天、高铁船运等领域,已经对镁合金、铝合金同质及异质金属连接结构提出了迫切需求,并且要求连接结构具有高稳定性和高可靠性。因此,研究和开发新型连接工艺技术,以实现镁合金同质以及镁/铝异质金属之间的高强度可靠连接成为目前国内外研究的热点问题。 本文采用新型连接方法-胶焊技术,对镁合金及镁/铝异种金属的连接进行了研究。胶焊技术是一种集成焊接和胶接两种方法优点的新型连接技术,具有应力分布均匀、动/静载强度高、剥离性能好等一系列优点,可实现同种及异种金属之间的稳定、可靠连接。本文利用激光胶接焊技术对镁合金进行了连接,有效的提高了接头的失效载荷;从胶层面积和焊缝方向两方面入手,对胶层与焊缝的力学协同作用机制进行了分析;研究了胶焊过程中出现的物理现象,揭示了胶黏剂与热源、材料三者之间相互作用机制:将激光胶接焊技术应用到镁/铝异种金属的连接中,研究了胶层对焊缝微观组织以及力学性能的影响机制;首次提出熔化极电弧(MIG)胶接点焊新工艺,进一步提高了镁/铝连接接头的可靠性,分析了金属间化合物对试件力学性能的影响机制。本文主要研究内容及结论如下: (1)研究了镁合金激光胶接焊接头的微观组织及力学性能,并与镁合金激光搭接焊接头、胶接接头进行了对比分析。研究结果显示焊缝内部晶粒与母材相比发生了细化,当热输入较大时熔合线附近形成半熔化区。镁合金激光胶接焊技术通过焊缝与胶层的复合作用,实现了二者的优势互补。力学性能测试结果显示:在本试验条件下,与激光焊接相比,胶焊试件拉伸剪切失效载荷可以提高150%以上,而剥离失效载荷达到胶接的160%,弥补了激光搭接焊接头拉伸剪切失效载荷低,胶接接头剥离性能差的缺点。 (2)研究了不同胶层面积以及焊缝方向对镁合金激光胶接焊接头力学性能的影响,揭示了焊缝与胶层的力学协同作用机制。激光胶接焊接头中,胶层的存在可以减小试件拉伸过程中载荷力矩偏心对焊接接头的影响,舒缓接头内部应力集中,降低焊缝边缘撕裂应力;纵向焊缝激光胶接焊接头中,胶层可以阻碍焊缝裂纹的迅速扩展,使接头同时具有较大的剥离失效载荷和剥离位移,剥离吸收功提高50%以上。焊缝的存在可以阻止胶层受载过程中间隙的产生,阻碍胶层搭接边缘及内部的裂纹扩展,增加接头剥离阻抗,抵消剥离应力对搭接边缘胶层的影响。通过胶层与焊缝受载时的协同作用提升了接头的力学性能。 (3)研究了胶焊过程中胶层-热源-材料三者的相互作用机制。胶层在焊接热源作用下受热分解气化,使熔池结构发生改变,减小了激光脉冲作用点处上层板材厚度,降低了激光穿过上板时的能量损失,剩余的高能量密度激光可在下板形成更大熔深;胶层分解的气体迅速膨胀并逸出熔池,从而对下板熔池产生强烈反冲作用力,促进下板焊接匙孔的形成;胶层分解逸出的气体可以改变焊接等离子体的运动路径,削弱了等离子体对激光能量的吸收和散焦作用。综上,胶层的存在使得焊接熔深及熔宽增加,与单独的激光搭接焊相比,激光胶接焊下板焊接熔深增加150%以上。 (4)研究了镁/铝异种金属激光胶接焊接头特征,揭示了胶层对微观组织以及力学性能影响机制。对间隙胶焊(激光作用处无胶黏剂)和透胶胶焊(激光作用处涂覆胶黏剂)两种胶接焊技术所得到接头的微观组织进行对比分析,结果表明:间隙胶焊接头中金属间化合物层在焊缝边缘生成;透胶胶焊接头中金属间化合物层主要分布在气孔下方的镁/铝熔池中。力学性能分析结果显示:胶焊接头中焊缝边缘为应力集中部位,焊缝从焊缝边角处起裂并沿镁侧焊缝边缘扩展断裂。间隙胶焊接头从焊缝边角处的金属间化合物层起裂,而透胶胶焊接头从焊缝边角处的以a-Mg为主的富镁组织起裂,胶层的加入改变了接头应力集中位置的组织形态,提高了试件的力学性能。 (5)提出了MIG胶接点焊新工艺,对接头的微观组织以及力学性能进行了研究。微观组织研究结果显示,接头中金属间化合物以两种方式存在:在焊点内部,网状Mg2A13与α-A1形成枝晶组织;在熔合线附近,Mg2A13与Mg17A112混合形成厚度为30-60μm的金属间化合物层。MIG胶接点焊技术实现了焊接与胶接优势互补,接头获得了相比于单独点焊更高的拉伸剪切失效载荷(提高200%以上)及比胶接更高的剥离性能(提高75%)。而且,MIG胶接点焊中焊点的剪切强度(130MPa)远高于激光焊接的剪切强度(30MPa),接头中金属间化合物层平面处于非应力集中位置,主要受到垂直于其平面的正应力作用,并且变形受到焊点与母材的限制,从而降低了金属间化合物对力学性能的影响。综上,采用MIG胶接点焊技术实现了镁/铝异种金属的优质可靠连接。


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