【摘要】：在節(jié)能減排問題備受關(guān)注的今天,汽車工業(yè)提出了汽車輕量化概念。用高強(qiáng)鋁合金代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材,形成鋼-鋁一體化車架結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是可行的措施。鋁鋼之間物理化學(xué)性能差異較大,且兩者在焊接過程中會(huì)發(fā)生冶金反應(yīng),生成脆性金屬間化合物,降低接頭力學(xué)性能。因此,鋁合金和鋼材料的異種金屬焊接問題已成為汽車車身研發(fā)的關(guān)鍵。激光焊具有熱輸入量小,冷卻速度快,自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用于汽車工業(yè)。其中鋁-鋼異種金屬激光熔釬焊方法一定程度上可控制異種材料連接過程中的金屬間化合物生成。然而在激光熔釬焊中,鋁-鋼界面組織的形態(tài)分布和生長(zhǎng)規(guī)律、接頭力學(xué)性能與斷口特性還有待進(jìn)一步研究。本文首先進(jìn)行了自熔性激光鋁-鍍鋅鋼異種金屬熔釬焊全因素實(shí)驗(yàn),建立了焊接工藝窗口。詳細(xì)研究了線能量對(duì)鋁-鍍鋅鋼板激光熔釬焊接頭成型、微觀組織和力學(xué)性能的影響。隨著線能量的增大,焊縫成型變差;鋁合金內(nèi)Fe含量明顯升高,組織變?yōu)闃漤殸?釬接界面生成兩種新組織,即星狀I(lǐng)MC和骨架IMC,且生成一種新相FeAl。星狀I(lǐng)MC對(duì)力學(xué)性能的影響可以忽略,骨架IMC則是微裂紋形成的決定性因素,其顯著降低了接頭力學(xué)性能。隨著線能量的增大焊縫抗拉力變差,在小線能量條件下,抗拉力達(dá)1.7kN。針對(duì)不同形態(tài)IMC,結(jié)合模擬得到的鋁-鋼界面溫度分布和提出的Fe-Al接頭組織凝固模式,發(fā)現(xiàn)IMC的形貌受溫度變化、鐵原子分布和局部成分過冷的綜合影響。進(jìn)而闡明了鋁-鋼異種接頭原子擴(kuò)散模式同金屬間化合物生長(zhǎng)模式的相關(guān)性規(guī)律。進(jìn)一步,選用了CuSi_3、AlSi1_2和ZnAl_(15)焊絲進(jìn)行鋁-鍍鋅鋼板激光填絲熔釬焊實(shí)驗(yàn),優(yōu)化了焊接工藝參數(shù),分析了激光功率、焊接速度和送絲速度對(duì)復(fù)合接頭成型的影響規(guī)律,針對(duì)界面顯微組織進(jìn)行深入研究。填充CuSi_3焊絲的鋁鋼接頭存在銅/鋁過渡區(qū),該區(qū)域由Cu_9Al_4和CuAl_2兩種金屬間化合物構(gòu)成,是接頭薄弱區(qū)。填充AlSi_(12)焊絲的鋁鋼接頭釬接界面僅有層狀I(lǐng)MC和針狀I(lǐng)MC組成,平均厚度2-10μm。焊接參數(shù)匹配條件下,激光功率越小,焊接速度越大,送絲速度越大時(shí),界面IMC量越少。Si元素參與了界面反應(yīng),界面物相由Fe_2(Al,Si)_5、Fe(Al,Si)_3和Al_8Fe_2Si組成。填充ZnAl_(15)焊絲的鋁鋼接頭釬接界面僅有層狀I(lǐng)MC,平均厚度12μm。隨焊接參數(shù)的變化不大。釬接界面主要由Fe_2Al_5Zn_(0.4)組成。最后,對(duì)激光填絲熔釬焊焊縫力學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試,著重分析了斷口特性。填充CuSi_3焊絲時(shí),斷裂發(fā)生在銅鋁過渡區(qū)的粗大骨架狀區(qū)域,接頭最大拉伸力達(dá)1.23kN。填充AlSi_(12)焊絲時(shí),斷裂位置有多種,焊縫中的鋁合金根部未熔合、鋅氣孔、鋁-鋼根部局部未釬合、焊趾顯微裂紋等缺陷和生成的硬脆IMC相將成為裂紋源,誘發(fā)接頭斷裂。接頭最大拉伸力達(dá)2.48kN。填充ZnAl_(15)焊絲時(shí),斷裂位置仍有多種,斷口均無明顯弱化區(qū)域,說明鋁合金釬接性能得到改善。當(dāng)斷裂發(fā)生在鋁合金母材區(qū)域時(shí),接頭抗拉力達(dá)到3kN。研究發(fā)現(xiàn)填充ZnAl_(15)焊絲是提升接頭力學(xué)性能的最佳方式。
【圖文】：

圖 2-1 焊接設(shè)備（a）IPG-YLR-4000 光纖激光器 （b）YW50 激光焊接頭圖 2-2 焊接設(shè)備（a）福尼斯 TPS4000 數(shù)字化焊機(jī) （b）送絲機(jī)（c）ABB 機(jī)器人 （d）ABB 控制柜統(tǒng)平臺(tái)搭建結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備搭建出一個(gè)性能良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足兩方面的實(shí)驗(yàn)要求：一是自熔性激

圖 2-2 焊接設(shè)備（a）福尼斯 TPS4000 數(shù)字化焊機(jī) （b）送絲機(jī)（c）ABB 機(jī)器人 （d）ABB 控制柜2.1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)平臺(tái)搭建本論文結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備搭建出一個(gè)性能良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，，實(shí)現(xiàn)各設(shè)備協(xié)調(diào)工作如圖 2-3 所示。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以滿足兩方面的實(shí)驗(yàn)要求：一是自熔性激光熔釬焊激光由激光器發(fā)射，經(jīng)傳輸光纖到達(dá)激光焊接頭，完成聚焦；將激光焊接頭安裝機(jī)器人機(jī)械手前端法蘭盤上，隨著機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)三維焊接。二是激光填熔釬焊。在自熔性激光熔釬焊裝置基礎(chǔ)上，加入送絲系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括焊機(jī)、送機(jī)與送絲槍等部件。通過自制固定裝置將送絲槍固定于機(jī)器人上，隨著機(jī)器人的動(dòng)，實(shí)現(xiàn)與焊接頭的同步運(yùn)動(dòng)，從而在焊接過程中實(shí)現(xiàn)光-絲旁軸耦合。在焊接過程中，為了減少飛濺對(duì)激光焊接頭的污染，需要使用壓縮空氣；為減少焊接時(shí)焊縫的被氧化，需要使用保護(hù)氣體。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG456.7

【參考文獻(xiàn)】

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1 郭玉琴;朱新峰;楊艷;熊倪;;汽車輕量化材料及制造工藝研究現(xiàn)狀[J];鍛壓技術(shù);2015年03期

2 梅述文;成群林;姜勇;胡佩佩;孫錫建;高明;;鋁/鋼異種合金激光-電弧復(fù)合焊接接頭的界面性能及抗拉強(qiáng)度[J];中國有色金屬學(xué)報(bào);2015年02期

3 石s

本文編號(hào)：2697722