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钢—铝异种金属激光加热辅助搅拌摩擦焊数值模拟和试验研究

费鑫江  
【摘要】:减轻汽车自身的重量可以有效地降低燃油的消耗以及排放,因此越来越多的轻金属如铝合金、镁合金等常被用到汽车制造业或者航空航天领域。在这些轻质合金中,铝及其合金具有重量轻、耐腐蚀、可塑性好等优点。而钢材作为目前应用广泛的材料具有硬度大、强度高等特点,所以钢和铝的焊接既可以保证产品的性能又可以解决减轻自重的问题。但是,由于钢和铝的物理性能(比如硬度、熔点)相差很大,且钢铝之间的固溶能力很弱,所以采用传统的焊接方法很难将钢和铝高质量地焊接在一起。为解决上述难题,本文提出激光辅助搅拌摩擦焊接。当激光加载到搅拌头前侧钢板处预先对钢板进行加热,其硬度、强度会明显下降,实现钢板的快速软化,有利于提高两种材料的相互流动和融合。本文对Q235钢板和6061-T6铝板的激光辅助搅拌摩擦对接焊接进行了数值模拟和实验研究。首先,建立了集激光热源、搅拌头轴肩与工件间的摩擦生热热源以及搅拌头针部与工件间的摩擦生热热源于一体的多热源耦合数学模型。计算了不同激光功率下的激光预热的温度场,确定了工件软化区的截面形状。通过分析和比较计算结果,获得了最佳的激光功率参数。以此为基础,计算并分析了其他工艺参数对工件温度场的影响,优化了激光加热工艺参数,为后续实验研究奠定基础。其次,分析了钢-铝异种金属搅拌摩擦焊接常见的焊接缺陷(飞边、匙孔、隧道型缺陷、表面犁沟、表面起皮等)及其产生的原因,提出了控制常见焊接缺陷的工艺措施。建立了焊接工艺参数和搅拌头结构参数对隧道型缺陷影响的定量关系,为有效控制隧道型缺陷提供了理论依据。接着,开展了钢铝激光加热辅助搅拌摩擦焊接实验。提出了异种金属激光加热辅助搅拌摩擦对接焊预制孔偏置工艺,研究了激光功率、搅拌头旋转速度、下压量、焊接速度以及预孔偏置距离对Q235钢和6061-T6铝两种金属激光辅助搅拌摩擦对接焊的影响。测试了不同的焊接工艺参数下对接接头的拉伸强度。采用扫描电镜、能谱分析和光学显微镜等分析了焊接接头处金属间脆性化合物的成分和焊缝的显微组织,优化了焊接工艺参数。实验结果表明:当激光功率为900W,搅拌头旋转速度为950rmp焊接进给速度为23.5mm/min,预孔偏置距离为0.8mm时,可获得性能最佳的焊接接头。最后,试验研究了合金元素对钢铝激光辅助搅拌摩擦焊接焊缝组织和性能的影响。选择Zn和Ni两种不同的添加合金元素,研究了其对钢铝界面处金属间脆性化合物的影响。利用扫描电镜分析了金属间脆性化合物的轮廓和断裂表面处的断裂模式。利用能谱分析确定了钢铝界面处金属间脆性化合物的种类。结果表明:采用Ni作为添加合金元素时,形成了轮廓光滑、铁含量比较高的金属间脆性化合物层,断裂表面处的断裂模式主要是韧性断裂。而采用Zn作为添加合金元素时,形成了轮廓粗糙、铝含量比较高的金属间脆性化合物层,断裂表面处的断裂模式主要是脆性断裂。因此,添加Ni元素时的焊缝抗拉强度比添加Zn元素时的焊缝抗拉强度高。


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