節(jié)能環(huán)保是未來(lái)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì),輕量化就是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要途徑之一。在傳統(tǒng)制造領(lǐng)域,鋼和鋁均為不可或缺的工程材料,以鋁代替鋼鐵材料不僅可以降低構(gòu)件重量、減少成本,而且符合節(jié)能環(huán)保的要求,因此采用鋼/鋁結(jié)構(gòu)件實(shí)現(xiàn)材料輕量化成為當(dāng)今工業(yè)技術(shù)的研究熱點(diǎn)。激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)作為新型復(fù)合焊接技術(shù)之一,融合電弧焊接和激光焊接的優(yōu)勢(shì),是一種具有全新的、高效的新型焊接熱源,具有“1+1>2”的協(xié)同效應(yīng),在鋼/鋁結(jié)構(gòu)件連接方面有巨大潛力。然而,鋼和鋁在物理性能方面差異顯著,冶金相容性差,且焊接過(guò)程中極易形成脆性金屬間化合物,這也對(duì)鋼和鋁的焊接性帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。本課題采用激光-TIG復(fù)合熱源焊的方法,對(duì)430鐵素體不銹鋼和6061鋁合金薄板搭接焊工藝進(jìn)行分析,基于COMSOL仿真軟件建立鋼/鋁激光-TIG復(fù)合搭接焊三維瞬態(tài)有限元模型,對(duì)焊接過(guò)程中接頭溫度場(chǎng)分布特征進(jìn)行闡述,探討了焊縫接頭的顯微組織演變、界面層生長(zhǎng)機(jī)制及接頭力學(xué)性能,得到以下結(jié)果:激光-TIG復(fù)合熱源焊可以實(shí)現(xiàn)鋼/鋁異種金屬的有效連接,通過(guò)研究單因素作用下主要焊接參數(shù)（激光功率、電弧電流、焊接速度）對(duì)焊縫成型性... 

【文章來(lái)源】：遼寧科技大學(xué)遼寧省

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

激光-電弧復(fù)合熱源焊接示意圖

遼寧科技大學(xué)碩士學(xué)位論文3生的反沖壓力下混合，但是由于焊接時(shí)間極短，冷卻結(jié)晶速率大，熔池還未充分混合就開(kāi)始凝固，使焊縫內(nèi)部的成分不均勻，與此同時(shí)焊縫界面處還會(huì)形成硬脆的金屬間化合物，導(dǎo)致接頭質(zhì)量下降。另外，鋼和鋁合金的熱導(dǎo)率和線(xiàn)膨脹系數(shù)差異較大，同一熱源很難加熱均勻，這就會(huì)導(dǎo)致在焊接過(guò)程中產(chǎn)生大的焊接熱應(yīng)力和焊后殘余應(yīng)力，從而使接頭發(fā)生變形甚至產(chǎn)生裂紋。（2）鋁屬于易氧化金屬，加熱過(guò)程中迅速生產(chǎn)Al2O3薄膜，該氧化物的致密性會(huì)阻礙熔池的混合，且其較高的熔點(diǎn)還會(huì)導(dǎo)致焊縫夾渣的產(chǎn)生。（3）鐵和鋁既可以形成固溶體、金屬間化合物，也可以形成共晶體。圖1.2為Al-Fe二元合金相圖[22,23]。從圖中可以看出，在室溫下，鐵幾乎不溶于鋁；即使在共晶溫度（655℃）時(shí)，溶解度也才0.53wt.%，且該體系的反應(yīng)驅(qū)動(dòng)力很高，故幾乎不生成固溶體。另外，隨著元素Fe的增加會(huì)產(chǎn)生Fe2Al5、FeAl2、FeAl和Fe3Al等脆性金屬間化合物，這些金屬間化合物會(huì)嚴(yán)重降低接頭力學(xué)性能。表1.1常溫下鋼和鋁合金基體元素的化學(xué)性能Tab.1.1Chemicalpropertiesofsteelandaluminumalloymatrixelementsatroomtemperature元素符號(hào)原子序數(shù)相對(duì)原子質(zhì)量晶格參數(shù)（A）原子半徑（nm）原子外層電子結(jié)構(gòu)晶格類(lèi)型原子電負(fù)性Al1326.98a=b=c=4.050.1433s23p1FCC1.5Fe2655.85a=b=2.427c=7.6660.1273d64s2BCC1.8圖1.2Al-Fe二元合金相圖Fig.1.2Al-Febinaryalloyphasediagram綜上，鋼和鋁焊接性較差的主要原因是由兩種材料的物化性能差異導(dǎo)致，接頭力學(xué)性能較差主要是界面金屬間化合物引起。因此，想要獲得良好的焊縫接頭，就需要對(duì)焊接鋼鋁界面層的化學(xué)成分及其生長(zhǎng)形態(tài)、分布規(guī)律進(jìn)行探究。目前，

遼寧科技大學(xué)碩士學(xué)位論文13渣、裂紋等焊接缺陷。此外，鋁合金表面的高熔點(diǎn)氧化膜會(huì)阻礙鋼鋁界面Al和Fe間的相互擴(kuò)散，導(dǎo)致接頭熔池流體不能充分混合，給接頭帶來(lái)危害和隱患。因此，在焊接實(shí)驗(yàn)前用砂紙將鋼鋁焊接表面打磨光滑，然后用丙酮清洗表面油污及雜質(zhì)，進(jìn)行風(fēng)干處理后裝夾到實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)。2.2.2復(fù)合焊接設(shè)備本實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為大連理工大學(xué)自主開(kāi)發(fā)的第三代激光-電弧復(fù)合焊接設(shè)備，如圖2.1所示。復(fù)合焊裝置所用激光器為脈沖激光器，脈沖頻率為0.1~100Hz，其主要性能參數(shù)如表2.4所示。TIG焊機(jī)為OTC生產(chǎn)的雙重逆變交直流復(fù)用脈沖弧焊機(jī)，額定輸出電流500A，額定功率為20kW。本實(shí)驗(yàn)所采用的保護(hù)氣體為高純氬氣。圖2.1激光-TIG復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)示意圖Fig.2.1Thesketchoflaser-TIGhybridweldingequipment表2.4Nd:YAG脈沖激光器主要性能指標(biāo)Tab.2.4TheindexofLWS-1000Nd:YAGlaserweldingequipment功率范圍/W脈沖頻率/Hz焊接穩(wěn)定性/%光斑直徑/mm頻率范圍/Hz聚焦境焦距/mm20~10000.1~100≤50.60.1~100120~150實(shí)驗(yàn)采用搭接的方式，夾具材料為高強(qiáng)鋼，一方面確保焊接母材之間無(wú)縫隙，避免因搭接結(jié)合面縫隙而引起的焊縫缺陷；另一方面，高強(qiáng)鋼可以加快焊后冷卻，減小焊接過(guò)程產(chǎn)生的熱應(yīng)力和焊接變形，一定程度上可以提高焊縫接頭的強(qiáng)度。2.2.3復(fù)合焊接方法采用“鋼上鋁下”的搭接方式，焊縫處于鋼/鋁搭接中心，焊接示意圖如2.2所示。采用搭接方式主要考慮到在復(fù)合熱源下能夠產(chǎn)生較大的熔深，有利于焊縫

【參考文獻(xiàn)】：
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