不同热源作用下钢/铝异种金属对接接头的焊缝成形和性能分析

采用三种热源(激光-MIG复合、单MIG、单激光)实现2 mm厚的SUS304不锈钢板和6061铝合金板的对接连接,对比了不同热源下钢侧的湿润铺展情况、焊缝中心组织、钢/铝界面层化合物和接头的拉伸性能。结果表明,激光-MIG复合热源下焊缝的正背面铺展效果最好,而单激光热源下熔融金属很难铺展到钢侧。激光-MIG复合热源和单MIG热源下,焊缝中心组织为α-Al基体上分布着短棒状的Al-Si共晶体,钢/铝界面处有连续分布的锯齿状金属间化合物,界面层厚度分别约为3.6、3.3μm;单激光热源下焊缝中心组织为等轴晶上弥散分布着很多小块状的析出相,钢/铝界面层化合物呈针叶状并沿着铝焊缝生长,厚度约为5.7μm。复合热源下接头的抗拉强度最高,为226.5 MPa,达到铝合金母材的53.8%,断口有少量河流花样;单激光热源下的焊接接头的抗拉强度最低(67 MPa),断口大部分区域呈河流花样,属于典型的脆性断裂。

不同铆接速度下板材搭接顺序对钢/铝异种金属铆接接头性能的影响

采用自冲铆接实现了钢/铝异种金属的有效连接。通过改变铆接速度,对比研究了钢上铝下和铝上钢下两种搭接顺序下的接头的成形性能、断裂力和断裂方式。研究结果显示,随着铆接速度的增大,接头头高和底切量不断减小,互锁值不断增大。钢上铝下搭接顺序下的接头的成形情况较为稳定,缺陷较少。钢上铝下搭接顺序下的拉剪接头的断裂力明显高于铝上钢下搭接顺序下的拉剪接头的,而铝上钢下搭接顺序下的十字拉伸接头的断裂力明显高于钢上铝下搭接顺序下的十字拉伸接头的。铆钉变形时受力方向的不同导致拉剪接头的断裂力明显高于十字拉伸接头的。铆接速度为250~325 mm/s时,可以实现两种搭接顺序下的接头成形性能和断裂力的良好匹配。

钢/铝异种金属双熔池TIG熔钎焊接头的显微组织与力学性能

采用电弧加热镀锌钢板,通过热传导使铝合金熔化,形成两个互不接触的熔池,实现钢/铝异种金属搭接熔钎焊;利用扫描电镜(SEM)与能谱(EDS)对连接界面的微观组织进行观察与分析。结果表明:在连接界面形成两种金属间化合物,一种为接近铝合金母材呈针状或絮状的FeAl3,另一种为接近钢呈舌状或条状的Fe2Al5;反应层FeAl3的厚度在连接界面上的分布大致均匀;而反应层Fe2Al5的厚度从焊缝中心向两侧逐渐变薄;随着焊接线能量的升高,接头的承载能力呈先增大而后减小的趋势,最高承载能力可达177.2 N/mm,为铝合金母材强度的84%。

钢/铝异种金属光纤激光焊接数值模拟

为了研究钢/铝异种金属激光深熔焊接的温度分布情况,采用有限元ANSYS软件建立了钢/铝异种金属激光对接焊的数学模型,对焊接温度场进行了模拟。通过计算模拟得到了不同时刻的温度场分布云图、试件表面节点的热循环曲线以及焊接速率对温度场变化的影响,并与实际焊接试验结果进行了对比。结果表明,焊接温度场呈非对称分布,钢一侧的温度梯度大于铝合金一侧的温度梯度;随着焊接速率的增大,热源中心的最高温度会逐渐降低,焊接熔池的熔宽也会随之逐渐变小。模拟的焊缝形状与实际焊接实验得到的焊缝截面的熔合线基本一致,熔池熔宽的模拟结果与实验结果误差在5%以内,验证了模拟结果的准确性。

钢/铝异种金属光纤激光熔钎焊数值模拟

采用ANSYS有限元软件,建立了钢/铝异种金属光纤激光熔钎焊有限元模型,并采用熔池边界准则验证了其准确性,在此基础上计算了工件的应力与变形.结果表明,工件上的纵向峰值拉应力出现在焊缝底部热源后方的钢母材一侧,随着焊接过程的持续进行,其数值不断增大,焊接结束瞬间(13 s)达到最大值203 MPa;工件上的应力场呈不对称分布,热源附近区域存在较大应力梯度;工件最大变形量为0.882 mm.

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

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。

钢/铝异种金属激光深熔钎焊接头特性

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.

钢/铝异种金属焊接固/液界面反应研究进展

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。

钢/铝异种金属搅拌摩擦焊残余应力场分析

通过建立异种金属对接搅拌摩擦焊摩擦生热的产热模型,运用ABAQUS软件对DP590钢和AA6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接工艺的温度场及残余应力场进行数值模拟计算,研究残余应力分布及变形规律,找出不同搅拌头偏置量和焊接参数条件下的温度场与残余应力分布规律及主要影响因素。结果表明:搅拌针偏置主要影响钢板侧的温度分布及残余应力;搅拌头转速是影响焊接接头温度场和残余应力的主要因素;钢铝之间热传导不均匀导致焊接参数对其残余应力的影响与同种金属材料焊接不同。

钢/铝异种金属激光填丝熔钎焊对接接头组织与性能分析

采用光纤激光和铝硅焊丝对2.5mm厚6013铝合金和镀锌低碳钢的异种金属对接接头进行了激光填丝熔钎焊。采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了熔钎焊对接接头的微观组织,采用拉伸试验测试了接头强度,并研究了热输入对钢/焊缝界面处金属间化合物和接头强度的影响。试验结果表明,在适当焊接参数下可以获得成形良好和具有一定抗拉强度的钢/铝对接接头。进一步分析表明,钢/焊缝界面处主要生成了FeAl2和FeAl3金属间化合物。随着热输入量的增加,金属间化合物的厚度随之增加。焊缝中的组织则为α-Al基体晶界上均匀分布着条状Al-Si共晶组织。在钢板采用30°坡口时可以获得的最大抗拉强度为88MPa,采用45°坡口时强度可以达到135MPa。

磁场对激光焊接钢/铝异种金属焊缝性能的影响

将磁场引入激光焊接系统中,开展了DC51D+AZ镀锌钢和6061铝合金的激光对接焊试验和焊接试样的拉伸试验,研究了交变磁场对焊缝成形、气孔缺陷、断口形貌、金属间化合物与焊缝力学性能的影响。结果表明,添加磁场后,焊缝抗拉强度得到提高;磁场搅拌能改善焊缝的形貌,减少焊缝中气孔的数量,细化针状FeAl_3相,抑制脆性Fe/Al化合物的生长,从而有效提高焊缝的力学性能。

钢/铝异种金属点焊研究进展综述

钢/铝异种金属的复合结构具有轻量化兼具良好结构性能的优势,在航空、航天和汽车制造领域具有极大的应用前景。点焊是制造这种结构的重要技术手段。但是,钢/铝异种金属在焊接过程中会产生脆性金属间化合物,传统的电阻点焊连接钢/铝异种金属面临着巨大的挑战。对钢/铝异种金属的点焊技术的研究进展进行了广泛的调研,着重对电阻点焊技术、电阻铆焊技术、CMT点焊技术、超声波点焊技术和摩擦塞-铆复合点焊技术等技术的研究进展进行了系统比较与分析,并对钢/铝异种金属点焊技术发展趋势进行了展望。

胶层辅助激光焊双相钢/铝合金接头显微组织与力学性能

对1.4 mm厚DP590双相钢和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行有无胶层加入的激光搭接焊试验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜(SEM)、背散射电子衍射技术(EBSD)、能谱仪(EDS)、显微硬度分析仪和微机控制电子万能试验机等研究有无胶层辅助激光焊接头焊缝区域的金相组织、断口形貌、相分布及含量、晶粒大小、界面元素分布、显微硬度与接头力学性能。结果表明:在激光功率为1800 W、焊接速度为40 mm/s、离焦量为+2 mm、采用Ar为保护气体且流量为15 L/min的条件下,添加胶层时,焊接试样焊缝表面成形性良好,焊缝区无软化组织生成,焊接接头的平均剪切强度为41.33 MPa;与没有添加胶层的相比,试样的剪切强度提高1.44倍。添加胶层可增加焊缝熔深和熔宽,有利于钢/铝的焊合,钢/铝界面生成具有延性富Fe的Fe-Al化合物,均匀分布的晶粒有助于试件承受的外力均匀分布在焊接接头的搭接区域,因而添加胶层对焊接接头的力学性能有改善作用。

双相钢/铝合金激光搭接焊添加Mn粉的作用

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。

添加Sn-5%Zr粉末对激光焊接钢/铝显微组织和性能影响

对1.4 mm厚的DP590双相钢和1.2 mm厚的6016铝合金平板试件进行添加Sn-5%Zr(质量分数,下同)粉末的激光搭接焊试验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、背散射电子衍射技术(EBSD)和微机控制的电子万能试验机等研究了添加Sn-5%Zr粉末对焊缝微观形貌、焊接区域金相组织、断口形貌、主要物相、相的分布及含量、晶粒大小与接头力学性能的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了添加Sn-5%Zr粉末后新形成物相Fe Sn、Fe3Sn和Fe3Al、Fe Al、Fe2Al5等Fe-Al金属间化合物的模量。结果表明,添加Sn-5%Zr粉末钢/铝接头平均剪切强度为37.90 MPa,与未添加粉末相比,剪切强度提高,新形成Zr Al3化合物细化了钢/铝界面Fe-Al金属间化合物的晶粒尺寸,Sn抑制Al向焊缝熔池内扩散,减少Fe-Al金属间化合物层厚度,新形成物相Fe Sn,Fe3Sn具有较好的延性,Sn-5%Zr粉末改变了界面层Fe-Al金属间化合物脆性相与延性相的比例,添加粉末增加焊缝熔宽,提高焊合率,因而添加Sn-5%Zr粉末改善了焊接接头的力学性能。

添加Si粉激光深熔焊钢/铝接头的显微组织与性能

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。

SUS321/5A06软钎焊接头界面组织特征

采用空气炉中软钎焊工艺获得了SUS321不锈钢/5A06铝合金异种金属钎焊接头,通过金相观察分析接头宏观形貌及界面组织特点,使用扫描电镜进行高倍组织观察及能谱分析,进一步阐述了钢/铝异种金属空气炉中软钎焊接头界面层结构,并分析了接头性能的薄弱环节。