镁/钢对接激光–电弧复合热源填丝焊研究

摘要

镁合金作为最轻的金属工程材料具有广阔的应用前景，而钢材凭借其一系列优良性能仍是工业生产领域中应用最广的金属材料。镁/钢异种金属结构将会是未来轻量化制造的重要发展方向。国内外针对镁/钢异种金属焊接进行大量研究，主要采用搭接焊形式，通过熔钎焊并借助镀层或夹层金属来解决熔沸点和相容性差的问题。本论文提出了一种镁/钢对接激光–电弧复合填丝焊新方法，系统研究了复合焊接工艺对焊接接头成型、界面组织以及力学性能的影响规律，为镁/钢异种金属结构的开发提供连接技术支撑。 采用1.6mm厚AZ31B镁板与1.0mm厚Q235钢板对接，直径1.6mm AZ61镁丝，焊接模式为激光在前、电弧在后、前进侧送丝填充。在较宽的工艺参数范围内获得良好的单面焊双面成型，钢端部被加热熔化为圆弧状，再被铺展的镁合金包裹，形成镁/钢对接包覆结构接头。 对镁/钢界面影响较大的激光功率、离焦量、复合热输入三个参数进行系统研究，随着激光功率增加、离焦量降低、热输入的增加，钢的熔透量增加，界面冶金结合反应愈加剧烈并逐渐趋于完全，界面的结合被强化，从而使接头承受的拉伸载荷逐渐增大。然而受限于工艺条件，热输入增加到一定程度接头会出现不连续的烧损焊漏。断口形貌随着结合强度增加，从平整光滑河流花样的脆性断裂，到光滑区逐渐减少并有许多撕裂棱台阶的混合断裂，再到大量撕裂等轴韧窝的镁合金延性断裂。在激光功率850W、离焦量+2mm、热输入73.86J/mm各自参数下均获得高性能的镁/钢接头，拉伸试样断在钢侧母材。 镁/钢微观界面分析得出，高界面温度可以促进Al和Mn元素在界面扩散富集形成Al11Mn4金属间化合物和Fe(Al)固溶体两个反应层。镁合金焊缝主要由α–Mg等轴枝晶和晶界的共晶相组成。 将镁/钢对接接头分为四种断裂情况：最佳结合状态的优质高强度接头断裂于钢侧母材；具有较高强度接头断裂于镁合金焊缝部位；中等强度接头断裂于近界面的焊缝或界面；低强度接头完全沿界面剥离。通过去除接头的余高得出加强高和界面两部分各自的受力状态。镁合金焊缝余高的存在使接头的承载能力提高100N/mm左右，去除余高接头的最大抗拉强度达到238MPa。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 本课题的研究背景及意义

1.2 镁合金与钢的焊接性

1.3 镁/钢焊接国内外研究现状

1.3.1 搅拌摩擦焊

1.3.2 扩散焊

1.3.3 点焊

1.3.4 激光焊

1.3.5 电弧焊

1.3.6 激光-电弧复合焊

1.4 本课题研究思路及研究内容

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

2 镁/钢焊接实验材料、设备及方法

2.1 镁/钢焊接实验材料

2.2 镁/钢焊接实验设备及方法

2.2.1 激光-TIG复合填丝焊接系统设备

2.2.2 设备及板材装配方式

2.2.3 镁/钢焊接过程及参数设定

2.3 镁/钢焊后检测分析方法

2.3.1 镁/钢焊缝表面成型

2.3.2 镁/钢焊接接头拉伸性能分析

2.3.3 镁/钢焊接接头组织分析

2.3.4 镁/钢焊接接头微观组织及元素分析

2.3.5 镁/钢焊接接头微观界面透射分析

3 镁/钢对接激光–TIG电弧复合填丝焊工艺

3.1 TIG电弧参数的选择

3.1.1 TIG焊钨极高度

3.1.2 TIG电弧电流

3.1.3 激光与TIG电弧热源间距

3.2 送丝速度的选择

3.3 热源偏移量的选择

3.4 激光参数的选择

3.4.1 激光功率的选择

3.4.2 激光离焦量的选择

3.5 复合热源热输入的选择

3.6 本章小结

4 镁/钢界面冶金及力学性能研究

4.1 激光功率的影响

4.2 离焦量的影响

4.3 热输入的影响

4.4 本章小结

5 镁/钢界面连接机理和断裂方式分析

5.1 镁/钢界面连接机理

5.2 镁/钢接头断裂方式分析

5.3 本章小结

结 论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢

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