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异种金属镁合金和铝合金熔焊焊接性研究

柳绪静  
【摘要】: 随着世界范围内节能降耗和环保呼声的不断高涨,我国低碳经济模式的启动,铝合金和镁合金的渴望推广范围已经不局限于飞机等航空航天领域,船舶、轿车、轻型汽车、城市轻轨列车等交通领域也开始关注轻合金的应用。尤其随着镁及镁合金的更广泛应用,镁合金和铝合金的焊接问题会不可避免地遇到。异种金属镁合金和铝合金的连接能够发挥镁合金和铝合金两种材料的固有特性,是十分令人期待的。镁合金与其他金属连接技术的发展,与镁合金的应用范围扩展相互制约,也相互促进。异种金属连接方式的进步会增加设计方案的可行性,也会增加设计者的可选择机会。另外,镁和铝异种金属的连接可以揭示熔池流动和元素扩散的许多规律,具有重要的理论意义。熔焊作为最普遍的焊接方法,如果能成功的连接镁合金和铝合金,其意义无疑是重大的。 本文采用熔焊的方法进行异种金属镁合金和铝合金的连接,进行了各种形式接头的尝试,考虑的因素包括:材质、焊丝种类、焊接方法、电流极性、接头方式。分析了异种金属镁合金和铝合金电弧焊焊接性差的原因:金属镁和铝之间很容易生成金属间化合物,镁合金和铝合金在电弧下的润湿性差以及镁和铝的膨胀收缩率大等。 采用先在镁板上镀锡再电弧搭焊的方法实现了镁合金和铝合金的一定强度的连接。实验表明,锡可以通过刮擦浸镀方法镀在镁板上,从而起到夹层金属的作用。锡镀层显著地增加了异种金属镁合金和铝合金在电弧下的润湿性,减少但并没有完全阻止金属间化合物的生成。接头强度只能满足一定的使用要求。 在此基础上,利用激光—电弧复合热源技术进行了镁合金和铝合金更高强度的连接。研究了激光—电弧复合热源焊接异种金属镁合金和铝合金的工艺问题。分析了镁铝接头的微观组织、显微硬度和元素分布,及其与静载性能的关系。解释了激光—电弧复合热源接头强度增加的原因。 建立了基于圆柱坐标系的焊接熔池热流体数学物理模型,并采用层流和紊流两种模型进行数值模拟,比较了层流和紊流的温度场和流场,加深了对熔焊熔池流动行为的理解,模拟结果显示镁和铝搭焊的界面接触形态为紊流,而后采用点焊实验结果验证了镁铝接触界面形态的模拟结果。 在对异种金属润湿性、金属间化合物生成控制和异种金属接触界面的研究基础上,结合各种元素对镁合金的冶金性能影响,提出了采用金属铈作为夹层的激光—电弧复合热源缝焊方式实现异种金属镁合金和铝合金的熔焊连接。比较了激光—电弧复合热源直接搭接镁合金和铝合金与夹铈搭接的熔池组织、强度以及断口。测试了不同铈层厚度对接头强度的影响。分析了金属铈对熔池流动的影响和焊接接头强化原因。


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