鎂-鋼激光熔釬焊接特性及界面合金調(diào)控技術(shù)研究.pdf

1、為提高運載能力、節(jié)約能源、降低成本以及滿足不同的服役環(huán)境，異種材料的輕量化結(jié)構(gòu)件逐漸受到人們的重視。在環(huán)境和能源問題日益嚴峻的今天，實現(xiàn)汽車輕量化生產(chǎn)，降低自重，受到各大汽車廠商的關(guān)注。車身重量占車重的30％，其主要材料是鋼板，如何加快輕質(zhì)鎂合金材料在汽車中的應用，采用先進激光連接技術(shù)實現(xiàn)鎂/鍍鋅鋼，鎂/鋼的可靠連接，已成為該領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸之一。
　　由于Mg、Fe之間熔點差異大，既不互溶也不發(fā)生冶金反應，鎂/鋼需依靠外加元素

2、進行界面調(diào)控；鍍鋅鋼因鋅960oC的低沸點使得熔化過程難以控制，傳統(tǒng)的熔焊方法難以實現(xiàn)其可靠連接。激光熔釬焊技術(shù)既可通過焊絲方便添加調(diào)控元素，又可有效避免鎂/鍍鋅鋼焊接過程的鋅蒸發(fā)問題，成為解決這一難題的優(yōu)選工藝。
　　為此，本文基于鎂/鍍鋅鋼激光熔釬焊的焊接特性與斷裂行為的研究，以及界面Mg-Zn反應物與Fe-Al反應物所起作用的對比分析，重點以鎂/鋼異種接頭為研究對象，系統(tǒng)性研究激光熔釬焊過程快速加熱與冷卻這一特殊熱循環(huán)條件下

3、界面 Fe-Al化合物的合金調(diào)控技術(shù)，為非互溶性異質(zhì)材料激光連接技術(shù)提供理論指導。
　　本文首先研究了熱源模式與作用位置、焊接速度等關(guān)鍵因素對鎂/鍍鋅鋼焊縫成形與界面特征的影響規(guī)律，獲得成形美觀、無缺陷的焊縫，強度約為鎂母材51%左右，并確定了其工藝控制特點與優(yōu)化工藝規(guī)范；通過對界面Mg-Zn反應物與Fe-Al反應物的深入分析，闡明接頭斷裂失效機制，以及Zn層和Fe-Al層在鎂/鋼連接中的作用。在此基礎上，設計了具有四種不同表面狀

4、態(tài)(Zn+Fe-Al, Zn, Fe-Al,無鍍層)的雙相鋼與鎂合金進行激光熔釬焊試驗，進一步證明界面鐵基化合物（Fe-Al相）比鎂基化合物（Mg-Zn相）具有更強的界面結(jié)合力，并確定Fe-Al相的最小厚度應不低于2μm。Zn最大優(yōu)勢是可提高潤濕鋪展性，但易在焊趾處形成微裂紋，成為失效源頭。
　　進一步，以Al為主調(diào)控元素，在鋼基體上形成均勻的Fe-Al相作為中間層；對比研究了3%~9%Al含量焊絲調(diào)控、100%純鋁夾層調(diào)控、Cr

5、元素輔助3%Al含量焊絲調(diào)控等三種不同方法的界面反應狀態(tài)與接頭強度。研究結(jié)果表明，在激光連接快速熱循環(huán)條件下，采用焊絲中微量Al元素進行調(diào)控，因擴散不充分，生成的FeAl化合物厚度最大僅為1.76μm(<2μm臨界值)；利用100%純Al夾層進行界面調(diào)控，反應層生長厚度可達到期望的2-4μm，但靠近界面的焊縫中Mg-Al化合物明顯增多，一定程度上增加了焊縫的脆性。最優(yōu)方式是以Cr元素輔助3%Al含量焊絲進行界面調(diào)控，成功解決激光快速加熱

6、過程Al元素的擴散問題，實現(xiàn)了鎂/鋼可靠連接，接頭均斷裂于鎂合金一側(cè)熔焊接頭處，最大載荷308N/mm，達到鎂母材的75.4%。
　　基于熱力學分析，采用Factsage軟件，合理預測了不同含量Al元素參與下，多元合金界面反應的可能生成相及其生成溫度；闡明了合金調(diào)控狀態(tài)下的鎂/鋼界面各物相在快速凝固條件下的演變過程；解釋了Cr元素輔助調(diào)控促進界面生長的本質(zhì)原因為顯著增加了可能生成物相的范圍，提高了Fe-Al相的穩(wěn)定性，從而抑制了其