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镁/钢异种金属激光-TIG复合热源铜锌夹层对接焊研究

安广野  
【摘要】:镁合金以其优异的性能已被考虑作为潜在的结构材料应用于汽车工业,已到达节能减排作用。然而,钢材仍然是当今应用最为广泛的结构材料。实现镁钢异种金属有效的焊接连接将扩展镁合金在汽车工业的应用范围。然而由于镁钢之间巨大的熔沸点差异和溶解度几乎为零的特点,实现镁钢之间的焊接尚存在较大困难。为此,实现具有优异力学性能的镁钢异种金属焊接吸引业内专家学者的兴趣。 本研究团队前期研究成果表明,利用激光-TIG复合热源焊接技术,添加夹层金属,成功实现镁钢异种金属搭接结构的焊接连接,接头剪切强度最高达170MPa。前期研究主要针对于镁钢搭接结构,尚未涉及镁钢对接结构。 为使镁钢焊接结构具有更广泛的应用空间,本文重点研究镁钢异种金属对接结构焊接。本文以AZ31B镁合金和Q235钢为研究对象,选用铜锌合金箔作为夹层,采用激光-TIG复合热源焊接技术对镁/钢异种金属进行焊接研究。研究了镁钢异种金属斜口对接焊焊接工艺,实现由搭接结构焊接工艺过渡至对接结构焊接工艺,发现并改善焊接工艺的不足,为最终实现镁钢异种金属对接结构的焊接奠定基础。 利用激光-TIG复合热源焊接技术的梯度热源焊接特性,采用激光在前、TIG在后的作用方式,赋予焊接热源偏移量,成功实现AZ31/Q235镁钢异种金属薄板对接焊的全冶金焊接连接,接头抗拉强度达203MPa。试验中发现镁钢界面处存在较明显的铝元素富集现象,为研究铝元素对镁钢焊接的影响,我们采用ZK60镁合金板材,在同样工艺下实现与Q235钢的焊接连接。ZK60为不含铝元素的镁锌系镁合金,因此可用于研究材料中铝元素的作用。研究发现镁合金中铝成分对镁钢对接接头性能的提高具有显著影响,ZK60/Q235接头的抗拉强度仅为93MPa。铝元素在镁钢界面钢表面的富集使界面结合力显著增强;当无铝元素时,镁钢界面虽存在一定的结合力,但结合强度不高。 进一步探索镁钢焊接接头的高强度界面结合的机制。铜锌夹层的添加,特别是锌元素的添加,可以显著降低镁钢界面处铁铝元素的反应温度,为界面反应层的形成提供温和适宜的反应环境。此外,铜锌元素的添加促进镁钢界面反应层的形成。AZ31/Q235镁钢异种金属的高强度界面结合归功于以下两方面的协同作用:一、铜元素在界面处钢中形成铜在钢中的固溶体,铜又与镁发生反应,为镁钢异种金属之间建立过渡连接“桥梁”。二、镁合金中铝元素成分的存在,使镁钢界面处钢表面形成包含铁、铝、镁、铜、锌(大约为3.66%Fe,11.09%Al,28.38%Mg,37.10%Cu和19.77%Zn(wt.))的界面反应层;界面反应层的形成,进一步提高镁钢界面的结合强度,进而显著增加接头的力学性能。


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