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中国有色金属学报 2016年第7期26卷 1427-1436页

作者：谭哲刘金水周惦武胡林西卢源志贾骁姜德福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

采用光纤激光器作为焊接热源,对1.4 mm厚DP600双相钢和1.8 mm厚AZ31镁合金平板试件进行钢上、镁下搭接、钢/镁层间添加Sn箔的激光热传导焊试验,通过试验调整优化焊接工艺参数,获得最佳焊缝成形,采用卧式金相显微镜、带有能谱仪(EDS)的... 详细信息

采用光纤激光器作为焊接热源,对1.4 mm厚DP600双相钢和1.8 mm厚AZ31镁合金平板试件进行钢上、镁下搭接、钢/镁层间添加Sn箔的激光热传导焊试验,通过试验调整优化焊接工艺参数,获得最佳焊缝成形,采用卧式金相显微镜、带有能谱仪(EDS)的扫描电镜、X射线衍射仪(XRD)等观察添加Sn箔钢/镁接头的显微组织、界面元素分布和相结构组成;利用ANSYS有限元软件,考虑材料物性参数的温度相关性、初始条件、边界条件等因素影响,建立钢/镁异种金属激光焊接非线性三维传导有限元模型,模拟计算钢/镁焊接接头的温度场分布。结果表明:添加Sn箔可实现钢/镁之间的有效连接,焊接模式为激光热传导焊,模拟计算获得熔池形状、尺寸与实际焊缝基本吻合,验证采用高斯体热源模型用于模拟双相钢/镁合金焊接接头温度场的合理性;由于添加Sn箔减缓从上层钢板向下层镁合金的热量传递,起到一定程度的隔热效果,利于熔沸点差异大的钢、镁同时熔化,此外上层钢侧冷却速度降低,延长钢板与Sn箔中Fe、Sn元素的相互扩散时间,导致钢/镁界面中钢侧过渡区域生成FeSn、Fe_(1.3)Sn、Fe_3Sn等Fe-Sn相,镁侧过渡区域生成Mg_2Sn相。因此,添加Sn箔有助实现双相钢/镁合金异种金属的有效连接。

关键词：钢/镁异种金属 Sn箔激光热传导焊数值模拟温度场

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粉末—胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究

粉末—胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究

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作者：李超湖南大学

学位级别：硕士

高强度钢和轻金属合金相结合是实现汽车轻量化的一种途径。汽车材料发展的多元化使得不同种材料之间的连接问题变得不可避免,其中之一就是钢与镁合金的连接。由于钢、镁熔沸点差异巨大,无法实现两者同时熔化。此外,镁在铁中不形成固溶体... 详细信息

高强度钢和轻金属合金相结合是实现汽车轻量化的一种途径。汽车材料发展的多元化使得不同种材料之间的连接问题变得不可避免,其中之一就是钢与镁合金的连接。由于钢、镁熔沸点差异巨大,无法实现两者同时熔化。此外,镁在铁中不形成固溶体,也不会生成金属间化合物,因此实现双相钢与镁合金的有效焊接较为困难。为探究实现钢/镁异种金属连接的新方法,文中拟用汽车用钢(1.4mm厚DP590)和镁合金(2.0mm厚AZ31)平板作为研究对象,提出钢在上,镁在下的搭接方案,同时在两者之间添加锡粉-胶层的光纤激光焊接工艺。采用光谱仪采集焊接过程中的焊接光谱,计算各元素电子密度,分析元素烧损情况;利用高速摄像机拍摄焊接飞溅特征,计算飞溅时反冲压力,分析飞溅特征与熔深之间的关系;采用带能谱(EDS)的环扫电镜与微机拉伸实验机分别检测焊接试样的显微组织与接头性能;采用基于COMSOL有限元软件数值模拟接头温度场分布,从接头力学性能、能量传递、焊缝形貌、接头微观组织等角度,研究胶层和粉末对钢/镁焊接部位的作用机制。以期望解决钢和镁合金异种材料的连接问题,同时为钢/镁结构件激光焊接的推广和应用提供实验依据。采用COMSOL有限元软件,建立双相钢/镁合金激光焊搭接焊的非线性的二维有限元模型,数值模拟钢/镁焊接接头的温度场分布。模拟发现锡粉-胶中间层模型中镁侧温度在镁合金沸点1107℃的范围比锡粉中间层模型中对应位置明显减少,温度在镁合金熔点650℃的范围在熔宽方向比锡粉中间层模型对应位置有所增加。钢侧熔池底部温度在钢熔点1538℃的范围比锡粉中间层模型中对应位置有所增加。这意味着,添加锡粉-胶中间层的焊件镁侧的熔深降低,熔宽增加,钢侧底部的熔池略有增加,这与实际实验数据一致。实验说明采用旋转高斯曲面体热源模型用于模拟钢/镁激光搭接焊接头部位温度场是合理的。进一步说明胶层在减少热量自钢板向镁合金传递的过程中,起到了较明显的阻热效果,从而形成较大的温度梯度利于双相钢和镁合金的同时熔化,增加了钢侧熔池底部和镁侧熔池的熔宽。胶层通过降低镁侧温度减少镁合金烧蚀、汽化产生的熔液飞溅现象,减小飞溅引起的反冲压力,从而影响焊缝的熔宽与熔深,同时胶层的搅拌使得钢侧熔池底部出现较多的镁元素。通过研究焊接接头部位的微观形貌,焊接熔池和钢/镁接头过渡区域未见大规模焊接缺陷;与锡粉中间层进行对比,锡粉-胶层组成中间层焊件的钢侧下表面和镁侧上表面的熔宽增加,镁侧熔深变浅;镁侧熔池区域生成呈柱状枝晶的MgSn,说明锡粉中间层实现了双相钢与镁合金之间的双向结合。

关键词：钢/镁异种金属激光焊接锡粉-胶温度场反冲压力数值模拟

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双相钢/镁合金添加Sn箔激光焊接头连接机理研究

双相钢/镁合金添加Sn箔激光焊接头连接机理研究

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作者：谭哲湖南大学

学位级别：硕士

使用车身轻量化材料实现汽车减重必然涉及到双相钢和镁合金之间的连接,但钢、镁熔沸点差异大,无法达到同时熔化,此外,Mg在Fe中不固溶,无法生成固溶体或金属间化合物,因此实现双相钢与镁合金焊接十分困难。为探索一种钢/镁异种金属的连... 详细信息

使用车身轻量化材料实现汽车减重必然涉及到双相钢和镁合金之间的连接,但钢、镁熔沸点差异大,无法达到同时熔化,此外,Mg在Fe中不固溶,无法生成固溶体或金属间化合物,因此实现双相钢与镁合金焊接十分困难。为探索一种钢/镁异种金属的连接方法,本文以车用1.4mm厚DP600双相钢和1.8mm厚AZ31镁合金为研究对象,提出钢上、镁下搭接,钢/镁层间添加Sn箔的激光焊接工艺,采用卧式金相显微镜、带EDS和EBSD探头的扫描电镜、XRD衍射仪、显微硬度仪、微机控制电子万能试验机研究添加Sn箔的双相钢/镁合金接头的金相组织、界面元素分布、相分布和含量、晶粒大小以及力学性能,同时利用ANSYS有限元数值模拟和基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,从能量传递和冶金学角度,探讨添加Sn箔钢/镁焊接接头的连接机理。研究结果期望为解决Fe和Mg的连接技术奠定理论基础,同时为钢/镁结构件激光焊接的推广应用提供实验依据。以获得最佳焊缝表面形貌为目标,采用光纤激光器对添加Sn箔的双相钢/镁合金激光搭接焊工艺进行优化,发现当激光功率P=1400W,焊接速度V=30mm/s,离焦量f=+2mm时,焊接成形性良好,分析焊接接头的微观组织,发现焊接熔池和钢/镁接头过渡区域未见明显的氧化物和焊接缺陷,接头无软化组织出现;添加Sn箔在钢侧过渡区域生成FeSn、Fe1.3Sn、Fe3Sn等Fe-Sn相,镁侧过渡区域生成Mg2Sn相,这些新相的存在有助实现钢/镁异种金属的“双向”冶金结合。基于优化后的工艺参数和熔池形状,选用高斯体热源为热源模型,考虑材料热物理性能参量的温度依存性,建立钢/镁异种金属激光焊接非线性三维传导有限元模型,利用APDL语言编程实现移动高斯体热源模型的加载,分析对比相同工艺参数下有无Sn箔添加钢/镁焊接的熔池形状、熔深和熔宽,以及不同工艺参数下熔深和熔宽的变化情况,从能量传递的角度,解释添加Sn箔对实现双相钢/镁合金连接的作用,认为双相钢与镁合金层间添加Sn箔,起到一定程度的隔热效果,利于熔沸点差异大的钢、镁同时熔化。基于钢/镁界面区域物相检测结果,通过第一性原理计算FeSn、Fe3Sn和Mg2Sn金属间化合物的热力学稳定性和延、脆性等本征力学性质,结合焊接试样断口形貌和微区EDS分析,探讨界面金属间化合物和接头力学性能之间的相互关系,发现脆性的Mg2Sn金属间化合物限制了钢/镁接头抗剪性能的提高。

关键词：钢/镁异种金属添加Sn箔激光焊数值模拟第一性原理

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