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Al-Cu合金片对钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接头组织和性能的影响

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机械工程材料 2020年第3期44卷 1-7,12页

作者：吴永亮顾丽霞罗立峰内蒙古机电职业技术学院机电工程系呼和浩特010070 吉林大学材料科学与工程学院长春130012

采用PLC系统控制的激光-MIG复合焊接工艺对Q890钢/6063铝合金进行异种金属焊接,研究了钢侧坡口表面添加Al-Cu合金片对接头显微组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明:激光-MIG复合焊接接头具有典型的熔钎焊特征;未添加Al-Cu合金片的接... 详细信息

采用PLC系统控制的激光-MIG复合焊接工艺对Q890钢/6063铝合金进行异种金属焊接,研究了钢侧坡口表面添加Al-Cu合金片对接头显微组织、硬度和拉伸性能的影响。结果表明:激光-MIG复合焊接接头具有典型的熔钎焊特征;未添加Al-Cu合金片的接头界面层由舌状相Fe2Al5和粗大针状相Fe4Al13组成,厚度约18μm,添加Al-Cu合金片后由舌状相(Fe,Cu)2Al5和细小絮状相(Fe,Cu)4Al13组成,厚度约为9μm,焊缝区与热影响区的组织与未添加Al-Cu合金片时的相似;添加Al-Cu合金片的接头界面层硬度比未添加Al-Cu合金片的低约59HV;添加Al-Cu合金片的焊接接头的抗拉强度比未添加Al-Cu合金片的提高了109.8%,未添加和添加Al-Cu合金片的焊接接头均在界面层断裂。

关键词：钢/铝异种金属激光-MIG复合焊接组织性能 Al-Cu合金

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钢/铝异种金属焊接固/液界面反应研究进展

焊接 2019年第6期 27-33,I0027-I0028页

作者：于金龙陈树海杨冬冬黄继华中国原子能科学研究院北京102413 北京科技大学北京100083

钢/铝异种金属的焊接的核心问题是如何抑制界面金属间化合物的形成。因此,近年来国内外学者钢/铝异种金属固/液界面反应研究进行了大量研究。总结了固/液界面反应条件下金属间化合物的类型、形态、厚度以及影响其生长的因素。此外,还对... 详细信息

钢/铝异种金属的焊接的核心问题是如何抑制界面金属间化合物的形成。因此,近年来国内外学者钢/铝异种金属固/液界面反应研究进行了大量研究。总结了固/液界面反应条件下金属间化合物的类型、形态、厚度以及影响其生长的因素。此外,还对金属间化合物生长模型进行了简要的概述,并分析了这些模型中存在的问题,为相关研究提供参考。

关键词：钢/铝异种金属固/液界面反应金属间化合物生长模型

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钢/铝异种金属激光深熔钎焊接头特性

沈阳大学学报（自然科学版） 2020年第1期32卷 1-6页

作者：蔡鹏飞陈强陈树海航天长屏科技有限公司北京100192 北京科技大学材料科学与工程学院北京100083

采用激光深熔钎焊的方法系统研究了Q235钢板/5052铝合金板的接头特性.研究发现,钢/铝异种金属激光熔钎焊接头界面处生成了平均厚度在5~10μm的金属间化合物层,其中靠近钢侧的部分为较为平整的Fe 2Al 5,靠近铝侧的部分为针状或舌状的Fe 4... 详细信息

采用激光深熔钎焊的方法系统研究了Q235钢板/5052铝合金板的接头特性.研究发现,钢/铝异种金属激光熔钎焊接头界面处生成了平均厚度在5~10μm的金属间化合物层,其中靠近钢侧的部分为较为平整的Fe 2Al 5,靠近铝侧的部分为针状或舌状的Fe 4Al 13,化合物层的厚度随界面热输入的提高而增加.接头的抗拉强度随着界面处的热输入量呈先增加后减小的趋势,断裂位置为金属间化合物层内部或其与母材的结合面处,脆性断裂特征明显,最高抗拉强度为55.2 MPa.

关键词：钢/铝异种金属激光深熔钎焊金属间化合物层脆性断裂抗拉强度

交变磁场对钢/铝异种金属激光对接焊接头性能的影响

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交变磁场对钢/铝异种金属激光对接焊接头性能的影响

作者：丁浩江苏大学

学位级别：硕士

汽车轻量化是当前汽车发展的新趋势,采用轻质材料是实现轻量化最有效的手段,而钢/铝异种金属之间的连接是实现轻量化的措施之一。激光焊接具有能量密度高、热影响区小以及自动化程度高等优点,是钢/铝理想的焊接方法。由于钢/铝材料物理... 详细信息

汽车轻量化是当前汽车发展的新趋势,采用轻质材料是实现轻量化最有效的手段,而钢/铝异种金属之间的连接是实现轻量化的措施之一。激光焊接具有能量密度高、热影响区小以及自动化程度高等优点,是钢/铝理想的焊接方法。由于钢/铝材料物理和化学性质存在较大差异,钢/铝在焊接过程中易产生气孔、裂纹等缺陷,且会形成Fe/Al脆性金属间化合物,从而降低接头质量。因此改善钢/铝焊接缺陷、减少焊接过程产生的Fe/Al脆性化合物的数量成为激光焊接需要解决的技术问题。本文选取6061铝合金板和DC51D+AZ镀锌钢板为研究对象,设计了交变磁场辅助激光添加粉末熔钎焊试验,研究交变磁场对钢/铝接头焊缝成形、力学性能、断口形貌及金属间化合物的影响,本文的主要研究内容如下:(1)相关理论:介绍了激光与材料相互作用时金属对激光的吸收机制,探索了焊接时提高激光吸收率的添加粉末焊接方法,分析了添加粉末焊接的过程及粉末提高激光吸收率的原因,研究了填充粉末熔钎焊时钎料润湿和铺展的过程,最后阐释了电磁感应原理及磁场对接头焊接性能影响的机理。(2)相关实验:构建了满足实验要求的交变磁场辅助焊接装置,利用光纤激光器对6061铝合金板和DC51D+AZ镀锌钢板进行激光添加粉末熔钎焊实验,通过正交实验寻找较优的焊接工艺参数,并在不同磁场强度下完成激光填粉熔钎焊实验。对焊接接头的显微硬度、拉伸力学性能、断口形貌及金属间化合物进行了测试,分析了拉伸断口的形貌。结果表明:交变磁场有效改善了焊接过程的缺陷,电磁搅拌使得熔池中Fe、Al、Si三种元素分布均匀,显微硬度和抗拉强度均提高了20%以上,金属间化合物厚度降低,接头的塑性增强。(3)Fe/Al脆性化合物:从热力学和动力学的角度分析焊接过程中Fe/Al化合物的产生机理,描述了不同种化合物的形成过程。探讨磁场对Fe/Al脆性金属间化合物种类和厚度的影响,并结合断口形貌和抗拉强度分析磁场及金属间化合物对接头性能的影响。

关键词：钢/铝异种金属金属间化合物交变磁场粉末熔钎焊电磁搅拌

激光摆动模式对钢/铝异种金属焊接接头组织性能的影响

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激光摆动模式对钢/铝异种金属焊接接头组织性能的影响

作者：严佑锐凌湖南大学

学位级别：硕士

随着环境恶化、能源短缺等问题日益严峻,连接钢/铝异种金属成为车身轻量化研究中的一项重要课题。但是,钢/铝之间存在较大的热物性差异,易发生冶金反应生成脆性Fe-Al金属间化合物（IMC）,因而实现钢/铝有效连接十分困难。摆动激光焊接... 详细信息

随着环境恶化、能源短缺等问题日益严峻,连接钢/铝异种金属成为车身轻量化研究中的一项重要课题。但是,钢/铝之间存在较大的热物性差异,易发生冶金反应生成脆性Fe-Al金属间化合物（IMC）,因而实现钢/铝有效连接十分困难。摆动激光焊接在保持传统激光焊接优势的同时,其热源摆动可以改善熔池温度分布,并对熔池起到搅拌作用,为钢/铝焊接提供了新方法。本文以DP590双相钢和6016铝合金为对象,采用数值模拟与工艺实验相结合的方法,研究了摆动激光焊接条件下激光摆动模式对钢/铝焊接接头组织性能的影响,借助金相显微镜、配备EDS能谱仪的SEM环境扫描电镜、拉伸试验机等,测试焊缝成形性、熔池微观形貌、晶粒尺寸、界面相组成和接头性能,利用COMSOL有限元分析软件,建立钢/铝不摆动与摆动激光焊接的数值模型,对焊接过程工件板材上表面及截面上的温度场和流场进行模拟,研究结果期望为推进摆动激光焊接技术在异种金属连接领域的应用提供实验基础和理论指导。本文首先开展了圆形、垂直、“8”字三种摆动激光轨迹的摆动激光焊接实验,分析不同激光摆动模式下的接头组织性能。发现摆动激光焊接条件下,接头表面焊缝增宽,熔池宽度增大,下层铝侧熔池界面处IMC层厚度降低,熔池内部晶粒细化。摆动频率较低时熔池内部气孔明显,增加摆动频率可以抑制气孔缺陷,但接头的断口位置不存在气孔缺陷,说明气孔不是接头的薄弱位置,改善气孔缺陷后接头力学性能未得到提高。其次,建立不摆动与圆形摆动激光焊接的数值模拟模型,通过比较横截面温度场的熔合线和金相显微镜拍摄的熔池轮廓,验证模型所用热源方程及边界条件的合理性;对比上表面流场模拟结果与高速摄像机拍摄的熔池流动,验证模型所用光束运动轨迹方程的正确性。最后,对焊接过程工件板材上表面及截面温度场和流场进行模拟,发现激光热源摆动促进热量向熔池宽度方向传递,而在熔池深度方向的热量减少,增大熔池宽度、增加钢/铝之间的连接面积,同时抑制Fe-Al冶金反应、减少界面脆性金属间化合物的生成;激光热源摆动使熔池形貌改变、流速增大,加强熔池搅拌作用,起到细化晶粒的效果;摆动激光焊接从改善温度分布和改变熔池流动行为两方面影响钢/铝焊接接头的组织性能,增加熔宽、降低IMC层厚度利于提高钢/铝接头的力学性能,虽然摆动激光焊接摆动频率较低时会形成气孔,但气孔缺陷不是影响钢/铝接头力学性能的主要因素。

关键词：钢/铝异种金属摆动激光焊接力学性能微观组织数值模拟

S355钢/6005A铝合金异种金属瞬间液相扩散连接研究

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S355钢/6005A铝合金异种金属瞬间液相扩散连接研究

作者：徐锋吉林大学

学位级别：硕士

节能减排已经成为工业化生产的主题，这就使工业化生产对结构轻质化有了更高的要求，所以异种金属复合结构的焊接受到了越来越高的关注。目前，钢/铝复合结构的焊接（连接）在汽车、轮船等非承载结构件中已有大量的应用。瞬间液相扩散... 详细信息

节能减排已经成为工业化生产的主题，这就使工业化生产对结构轻质化有了更高的要求，所以异种金属复合结构的焊接受到了越来越高的关注。目前，钢/铝复合结构的焊接（连接）在汽车、轮船等非承载结构件中已有大量的应用。瞬间液相扩散连接（TLP-DB）具有连接温度低、残余应力小的优点，非常适用于异种金属材料的连接。本文分别采用纯Cu箔、Al-Cu及Al-Si-Cu共晶合金箔作为连接中间层，在有流动氩气保护的管式电阻炉内完成了S355钢/6005A铝合金（钢/铝）TLP-DB，研究了连接工艺（连接温度，连接时间）对钢/铝TLP-DB接头的显微组织结构及力学性能的影响。利用扫描电镜（SEM）及能谱仪（EDS,Evo18,Carl Zeiss,Germany）分析了钢/铝TLP-DB接头的微观组织及元素分布;通过剪切强度以及连接界面显微硬度分布对接头的力学性能进行了评价;通过SEM和EDS对接头的剪切断口形貌和成分进行了表征;通过X射线衍射（XRD），分析了接头断口物相。纯Cu箔作为中间层成功地实现了钢/铝TLP-DB，形成了连续的接头，并且阻碍了Fe-Al脆性金属间化合物的大量生成，提高了连接接头质量。随着连接温度升高和连接时间的延长，原子之间互扩散充分，扩散层变宽。在连接压力为0.5MPa，连接温度为580℃，连接时间为30min时，接头抗剪强度达到最大值77.4MPa，接头的剪切试样断裂位置始于靠近钢侧的扩散层的微裂纹，断口表面平整，表现为脆性断裂，断口表面有FeAl、FeAl3和Al固溶体三种物相。 Al-Cu共晶合金箔作为中间层成功地实现了钢/铝TLP-DB，形成了连续的接头。因为中间层为共晶成分，加速了共晶液相的产生，与纯Cu箔作中间层相比，在相同试验参数下，可以获得质量更高的接头。在连接压力为0.5MPa，连接温度为580℃，连接时间为30min时，接头抗剪强度达到最大值79.2MPa，Al侧断口表面主要物相有FeAl3和Al固溶体两种物相，Fe侧断口表面主要物相为FeAl3、FeAl2和AlCu3。 Al-Si-Cu共晶合金箔作为中间层在较低的连接温度540℃下，成功地实现了钢/铝TLP-DB，形成了连续的接头。因为Si元素对Fe元素向Al侧的扩散起到了一定的抑制作用，与纯Cu箔和Al-Si-Cu共晶合金箔作为中间层在相同连接时间条件下相比扩散层较窄。随着连接温度的升高，硬度增大，抗剪强度减小，在连接压力为0.5MP，连接温度为540℃，连接时间为30min时，抗剪强度达到最大值60.2MPa，断口表面的物相主要有Al固溶体、FeAl3、FeAl2和AlCu3。

关键词：钢/铝异种金属 TLP-DB 中间层组织抗剪强度

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船用钢/铝异种材料激光摆动焊接工艺研究

船用钢/铝异种材料激光摆动焊接工艺研究

作者：巴一广东海洋大学

学位级别：硕士

随着渔业的发展和产业优化,渔船已经成为海洋捕捞不可缺少的工具之一。解决渔船续航短、油耗高、操纵性差的缺点,是渔船制造业迫切的需求。传统渔船的船身基本采用单一构建的材料制成,重量大,成本高。船的油耗量取决于自身整体重量,所... 详细信息

随着渔业的发展和产业优化,渔船已经成为海洋捕捞不可缺少的工具之一。解决渔船续航短、油耗高、操纵性差的缺点,是渔船制造业迫切的需求。传统渔船的船身基本采用单一构建的材料制成,重量大,成本高。船的油耗量取决于自身整体重量,所以渔船的轻量化可以保证渔船的使用性能和造价不变,甚至优化的前提下,降低油耗、提高航行速度、减少废气排放、提高渔船的操作性。渔船重量减轻,可以增加渔船的运载量,提高经济效益,利于渔业发展。因此,渔船轻量化对于渔业的发展大有裨益。渔船的轻量化推动了镁/铝、钢/铝、钢/钛等异种材料在船舶中的使用,同时也推动了异种材料焊接技术的创新。钢/铝金属作为轻量化中的常用材料,异种焊接无可避免。但是由于钢、铝两种材料在化学和物理性能上差异巨大,导致两种材料的焊接性能较差,在焊接过程中两种材料之间的低混合性导致焊缝的冶金相容性较差容易产生热裂纹、气孔、未熔合等缺陷。因此传统焊接难以获得高质量的钢/铝接头。针对钢、铝两种材料的特点,采用激光摆动焊接的方法,对DP780双相钢和5083铝合金两种金属进行搭接焊试验。研究激光摆动焊接和非摆动焊接两种方式对钢/铝接头宏观形貌、微观组织、显微硬度和剪切强度的影响,具体包括:(1)激光扫描路径的变化,意味着热输入量和散热情况的改变。从焊缝结果来看,无论是使用相同的焊接参数还是相同的热输入量,摆动焊接焊缝的成型效果都好于非摆动焊接。无论是那种摆动路径,焊缝下塌、熔池飞溅、接头咬边等缺陷均有所改善。(2)在钢、铝两种材料焊接的过程中,Fe、Al两种原子的互扩散以及界面反应,在钢/铝界面生成了四种不同的金属间化合物(IMCs)相,即带状Fe Al、舌状FeAl和针状Fe Al、Fe Al。无摆动焊接时,钢/铝界面有少量的裂纹,值得一提的是在裂纹周围均检测到了Fe Al。Fe Al是Fe-Al中较为脆的相。考虑到这一点,认为在无摆动焊接的条件下,Al的热膨胀系数与Fe产生了不匹配的结合,所以在Fe Al周围产生裂纹。当摆动焊接时,在钢/铝界面无裂纹,产生的IMCs以Fe Al为主,这应该是激光束在焊接的时候搅拌熔池,将Fe、Al两种原子混合均匀所致。(3)使用无摆动路径焊接钢/铝接头,其最大的显微硬度值是276HV,但使用摆动路径焊接后,焊缝的显微硬度整体提高,显微硬度的最大值达到365HV。这归功于接头中马氏体的含量。摆动焊接促进了焊缝中晶粒细化,增加了熔化面积,降低了熔池的冷却速率,有利于奥氏体向马氏体的转变。铝/钢焊接接头的剪切强度在不同扫描路径下,呈现不同的变化趋势。这与焊接过程中摆动方式对接头热输入、组织性能以及成形质量息息相关。摆动焊接和非摆动焊接最高的剪切强度分别为137N/mm和73N/mm,两者均为韧性断裂。利用激光摆动焊接钢/铝异种接头,阐述了激光摆动焊接和无摆动焊接对钢/铝接头IMCs的形成机制和力学性能的影响,揭示了不同焊接方式对钢/铝熔池凝固过程的影响规律及作用机理,提高了船用钢、铝两种材料的焊接性,体现出了极大的经济技术价值,为渔船建造的焊接技术提供的新的发展思路。

关键词：渔船钢/铝异种金属激光摆动焊接显微组织力学性能

添加Si粉激光深熔焊钢/铝接头的显微组织与性能

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机械工程学报 2018年第14期54卷 58-65页

作者：周惦武刘金水卢源志周来沁潘井春湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室

钢/铝结构件在现代交通领域具有广泛应用前景,易生成脆性Fe-Al化合物是钢/铝异种金属焊接亟待解决的难题。采用光纤激光器对1.4mm厚DP590双相钢和1.2 mm厚6016铝合金进行添加Si粉激光深熔焊接实验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线... 详细信息

钢/铝结构件在现代交通领域具有广泛应用前景,易生成脆性Fe-Al化合物是钢/铝异种金属焊接亟待解决的难题。采用光纤激光器对1.4mm厚DP590双相钢和1.2 mm厚6016铝合金进行添加Si粉激光深熔焊接实验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射和微机控制电子万能试验机等研究添加Si粉前后焊接试样金相组织、断口形貌、界面元素分布、主要物相与接头力学性能,采用高速摄像机同步拍摄焊接过程中金属蒸汽/等离子体形貌,采用光谱仪采集金属蒸气/等离子体的发射光谱。结果表明,激光功率2 000W,焊接速度50mm/s,离焦量+2mm,Ar气为保护气体且流量为15L/min条件下,添加Si粉焊接试样焊缝表面成形性良好,没有气孔、裂纹等缺陷,焊接接头平均线载荷108 N/mm,与没有添加Si粉相比,线载荷提高8%。由于添加Si粉增大焊接试件对激光能量吸收,增加焊接熔深,熔宽两侧Al含量变化不大,焊缝区晶粒未粗化,钢、铝熔池流动性得到改善,钢/铝界面层厚度降低,Si与Fe、Al发生冶金反应形成延性Al0.5Fe3Si0.5新相,抑制或减少脆性Fe-Al化合物生成,因此添加Si粉能改善焊接接头力学性能。

关键词：激光深熔焊钢/铝异种金属添加Si粉冶金反应

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双相钢/铝合金激光搭接焊添加Mn粉的作用

中国有色金属学报 2016年第8期26卷 1632-1640页

作者：卢源志刘金水周惦武谭哲贾骁胡林西湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室长沙410082 湖南大学材料科学与工程学院长沙410082

通过双相钢/铝合金有无添加Mn粉激光焊接的对比,揭示钢上、铝下激光搭接焊时Mn粉的作用。对焊接过程进行金属蒸气/等离子体形貌分析及光谱采集,发现添加Mn粉激光焊接时,金属蒸气/等离子体颜色明亮,光谱相对强度和金属蒸气/等离子体的电... 详细信息

通过双相钢/铝合金有无添加Mn粉激光焊接的对比,揭示钢上、铝下激光搭接焊时Mn粉的作用。对焊接过程进行金属蒸气/等离子体形貌分析及光谱采集,发现添加Mn粉激光焊接时,金属蒸气/等离子体颜色明亮,光谱相对强度和金属蒸气/等离子体的电子密度增加;焊缝EDS分析发现,添加Mn粉时,熔池内部Fe、Al混合宽度减小,铝侧熔池两侧的Al含量增多;剪切试验发现,添加Mn粉焊接接头的平均抗剪强度提高,断口呈现混合断裂特征。由于添加Mn粉加快钢/铝层间热量传递,受热分解产生的金属蒸气在排出过程中,产生强烈向下的反冲作用力,使下层铝合金板材中的焊接匙孔加深,同时,金属蒸气改善下层铝合金的高反射率状况,促进铝合金吸收激光能量,导致焊接熔深增加。此外,熔池流动行为发生改变,下层Al向上层钢侧的扩散受到抑制,熔融态Al向熔宽两侧迁移,在减弱熔池内部Fe、Al混合程度、降低钢/铝界面Fe-Al化合物层厚度的同时,上、下板结合处的焊接熔宽加大,因此添加Mn粉改善钢/铝焊接接头的力学性能。

关键词：激光搭接焊钢/铝异种金属 Mn粉焊缝成形