合金元素及镀层对铝/钢激光焊接头组织与性能的影响

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激光焊是目前连接铝/钢异种金属最有效的方法之一,本文通过在铝/镀锌钢激光焊接过程中通过预置涂粉的方法添加不同的合金元素,并对铝合金及不同镀层碳钢进行激光焊接,选用恰当的焊接工艺参数,获得了成形良好的铝钢焊接接头。  本文选用Si、Mg、Mn、B、Zn合金粉末,对5A06铝合金和镀锌钢板进行激光焊接试验,并选用镀铝、镀锌、镀铝锌、镀镍钢分别与5A06铝合金进行焊接,分析不同的合金粉末及镀层对焊接接头成形和焊接性的影响,同时采用SEM、EDS等测试方法观察和分析不同合金元素对铝/钢界面微观组织及形貌的影响,进一步分析不同的合金元素对界面金属间化合物相的生长的作用。通过对铝/钢连接界面成分进行分析,发现在连接界面区主要由Fe2Al5、FeAl3、Fe4Al13金属间化合物组成。  通过拉伸试验,分别比较添加不同的合金元素,以及不同镀层铝钢接头的力学性能。发现在相同焊接参数条件下,添加 Mn元素时,接头的抗拉强度最大,添加 Zn、Si、Mg元素时,抗拉强度依次降低。通过分析不同镀层的对接和搭接接头应力-应变发现,镀层金属为铝锌元素时,接头试样在热影响区断裂,铝钢接头的力学性能最好,抗拉强度最大为162MPa,约为铝合金母材强度的74%,抗剪强度为166.7 N/mm,约为铝钢接头的70%。Si元素的添加,容易在铝钢接头熔化区上部形成大量的气孔,B元素增加了激光的吸收率,增加了母材的热输入,导致金属间化合物层厚度增加,容易在接头部位形成裂纹,而 Zn元素抑制了金属间化合物的生长,但在熔化区形成空隙,影响接头的致密性。  通过铝/钢接头试样电化学腐蚀试验发现,添加不同元素的铝/钢接头在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电位在-1159mV~-890mV之间,添加 Zn、Si、Mg元素时,腐蚀电流分别为4.849e-3mA、2.766e-3mA、1.948e-3mA,而当添加Mn元素时,接头的腐蚀电流最小为9.463e-4 mA,则可知当添加Mn元素时,铝钢熔钎焊接头的耐腐蚀性能最好,而当分别添加 Mg、Si、Zn元素时,铝钢接头的耐腐蚀性能依次降低。对于不同镀层的铝钢接头,铝/镀铝钢接头的腐蚀电流为1.026e-3mA,铝/镀铝锌钢接头的腐蚀电流为3.219e-3mA,而铝/镀锌钢接头的腐蚀电流为0.873e-3mA。由此可知,当镀层金属为锌元素时,铝钢接头的抗腐蚀性能最好。对于铝钢接头来说,腐蚀易发生在金属间化合物层及气孔、夹杂等焊接缺陷处。  针对铝/钢焊接过程中,铝原子与铁原子之间的互扩散现象,通过对传统的蒙特卡罗方法进行进一步改进,并对实际焊接过程中铝、铁原子的扩散现象进行合理简化,建立铝钢焊接过程中连接界面铝、铁原子的扩散模型。根据已建立的铝钢界面原子扩散模型,对铝钢界面金属间化合物的生长过程进行模拟,并对添加不同合金元素时的铝钢界面的微观形貌进行模拟分析,进一步分析铝钢界面金属间化合物生长机理。结果表明:所建立的模型能够很好地反映钢侧 Fe2Al5及铝侧FeAl3离散生长,且金属间化合物层的厚度接近试验测量结果。添加 Si元素时界面呈层状向钢侧生长,添加 Mg元素时,界面呈舌形向钢侧生长,分析认为界面微观组织的成分同时受温度和浓度的影响。
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