先进表征技术在铝铜异种金属激光焊接中的应用研究

本文对先进表征技术在铝铜异种金属激光焊接的概念、特点进行详细分析,以汽车、火车、飞机零部件焊接为例,从温度场表征技术、应力场表征技术、变形场表征技术三个方面入手,研究了先进表征技术在铝铜异种金属激光焊接中的应用。在此基础上,结合实际情况,对先进表征技术在铝铜异种金属激光焊接中的优化措施进行系统梳理,为充分发挥先进表征技术的各项功能作用、提高铝铜异种金属激光焊接质量奠定坚实基础。

双相钢与铝合金异种金属激光焊接技术研究进展

随着汽车行业对减重、节能需求的增加,近年来铝合金等轻质材料广泛应用在车身结构件中。双相钢与铝合金异种金属激光焊接中,材料物化性能差异大导致焊缝成形差、接头强度低,主要原因是钢/铝界面处生成的Fe-Al金属间化合物(Intermetallic compounds,IMC)脆性大、硬度高,焊接接头存在较大的残余应力,致使焊接接头性能恶化。本文综述了工艺窗口和冶金调控对焊缝成形的影响规律,并阐述了飞溅、烧损、裂纹等焊接缺陷的控制措施,总结了焊接参数和不同中间层元素对界面中间相的种类、数量以及接头力学性能的影响规律,分析了不同中间层元素(Pb、Sn、Ti、Cu、Mn、Si等)在焊接过程的作用和特点,并展望了双相钢/铝合金异种金属激光焊接的未来发展趋势。

铝/铜异种金属搅拌摩擦焊接头腐蚀行为研究

采用搅拌摩擦焊接技术实现了3 mm厚6061-T6铝合金与T2紫铜的焊接,研究了Al/Cu搅拌摩擦焊接头的宏观成形、电化学腐蚀以及浸泡腐蚀行为。结果表明,Al/Cu搅拌摩擦焊接接头成形良好,未见裂纹、孔洞等缺陷。Cu的腐蚀电位高于Al,导致Al/Cu之间形成宏观电偶。Al/Cu接头的腐蚀电位低于两种母材,腐蚀电流密度大于两种母材,接头中的宏观电偶效应加速了接头的腐蚀。在浸泡24 h内,接头的腐蚀主要发生在铝合金侧,其中铝侧热影响区的腐蚀最严重,形成的点蚀坑尺寸较大。铝侧焊核区和铝母材也发生了局部点蚀,腐蚀程度相对较轻。铝侧表面腐蚀产物为Al(OH)3/Al2O3。

转速对铝铜异种金属薄板搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

探讨了不同转速(1600~2000 r/min)对铝铜异种金属薄板搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响,旨在为铜-铝较薄复合构件的开发提供理论依据。实验采用搅拌摩擦焊(FSW)技术对接焊铝和铜薄板,通过金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪器(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和显微维氏硬度计等设备对焊接接头的宏观形貌、微观结构、元素分布、金属间化合物(IMCs)相和硬度分布进行分析,并通过拉伸试验机研究其力学性能。结果表明,在1600~1800 r/min转速下,可获得表面质量良好的焊接接头,且随着转速的增加,IMCs层厚度增加,显微硬度峰值出现在焊核区,平均硬度高于铜侧和铝侧;接头断裂方式为韧-脆混合断裂,断裂位置均在铜铝对接接头处;当焊接速度为30 mm/min,转速1800 r/min时,接头表面质量最佳,IMCs层厚为2.65μm,抗拉强度达到最大值,显示出良好的力学性能,适合于铜-铝较薄复合构件的应用。

纳米颗粒增强的铝铜异种金属等离子弧熔钎焊接头性能优化研究

铝铜异种金属连接技术因工程应用的需求而备受关注,但传统焊接方法难以满足日益增长的性能要求。纳米颗粒增强技术为优化铝铜异种金属焊接接头性能提供了新的可能。研究通过向铝铜异种金属等离子弧熔钎焊接头中添加不同种类和浓度的纳米颗粒,深入分析其对接头力学性能、微观组织和耐腐蚀性的影响。实验结果表明,适量和适当种类的纳米颗粒可以显著提高接头的力学性能、微观组织稳定性和耐腐蚀性,为铝铜异种金属等离子弧熔钎焊接头的性能优化提供了有效解决方案。

激光焊接工艺对铜铝异种材料焊缝成形及力学性能的影响

文章对激光焊接工艺参数对铜铝异种材料焊缝成形及力学性能的影响展开分析,首先对激光焊接工艺参数的基本情况进行阐述,再通过试验的方式,分析工艺参数的合理性。试验主要从焊接速度、激光功率两方面分析其对焊接接头的影响。结果显示激光功率为1100W时,焊接接头剪切力达到最大值;焊接功率比焊接速度对焊缝熔宽和熔深的影响更大。

铝与异种金属激光焊接研究进展

由于铝与铜、钢等异种材料理化性能存在差异性,使其与异质材料焊接时生成金属间化合物,其硬度高、脆性大的特性会削弱接头的力学性能,使其结构件的焊接可靠性较差。然而,高效、高品质的激光焊接实现铝和异种材料的可靠连接成为焊接学者的研究热点。综述了国内外学者针对铝-铜、铝-钢、铝-镁等不同材质接头激光焊接的研究现状,总结了铝和异种金属材料激光焊接过程中控制金属间化合物的方法。

镁铝异种金属激光-TIG复合热源焊焊接性分析

采用激光-TIG复合热源和TIG焊接异种金属镁和铝,利用X射线衍射仪、金相显微镜和扫描电镜研究镁和铝焊接接头的微观组织、元素分布。结果表明,TIG焊接镁和铝形成连续的金属间化合物层,导致镁和铝接触的界面开裂,不能实现有效的连接。激光-TIG复合热源由于其焊接速度高和对熔池的快速搅拌作用,使镁和铝形成的金属间化合物由连续的层状变成弥散的状态,改善了异种金属镁和铝的焊接性。镁和铝激光-TIG复合热源焊接的焊缝成形均匀,美观。

钢/铝异种金属添加粉末的激光焊接

采用光纤激光器对1.4 mm厚DC51D+ZF镀锌钢和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行添加Mn、Zr粉末的激光搭接焊试验,利用金相显微镜、显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪、微机控制电子万能试验机等研究焊接接头各区域的金相组织、显微硬度、断口形貌、主要物相与接头的力学性能。结果表明:在钢/铝激光焊中添加Mn、Zr粉末,焊接接头平均抗剪强度与没有添加粉末相比,有所提高,其中添加Zr粉末的提高效果明显;Mn、Zr粉末的添加改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态,添加Mn能提高熔池金属的流动性,利于钢/铝界面结合,而添加Zr,焊缝区晶粒细小,形成新的ZrFe3.3Al1.3韧性相,抑制Fe-Al脆性金属间化合物生成。因此,添加Mn、Zr均改善了钢/铝焊接接头的力学性能。

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。

焊接速度对钢/铝异种金属激光深熔焊接头特性的影响

为了解决钢/铝异种金属焊接接头力学性能较低的难题,采用无任何填充材料的光纤激光深熔焊接方法,研究了不同焊接速度对钢/铝搭接接头焊缝成形、界面组织和力学性能的影响.研究结果表明,随着焊接速度从2.4 m/min增加到3.3 m/min,钢/铝接头焊缝成形不断改善,且在焊接速度为3.0、3.3 m/min时,获得良好的焊缝成形.钢/铝接头界面金属间化合物层由Fe_2Al_5和Fe_4Al_(13)相组成,且增加焊接速度明显减小Fe_4Al_(13)相的数量及界面Fe_2Al_5层的厚度.接头拉伸剪切试验结果表明,当焊接速度为3.0 m/min时,钢/铝搭接接头的机械抗力值最高达137.1 N/mm.

铝/钢异种金属Nd:YAG激光-MIG复合热源熔-钎焊接工艺

铝与钢异种金属的优质高效焊接一直是焊接领域的一项技术难题。针对铝与钢焊接的技术困难和特点,提出了可实现铝与钢熔-钎连接的大光斑激光-电弧复合热源焊接方法,用该焊接方法实现了5A02铝合金板与镀锌钢板的优质高效连接。试验结果分析表明,接头钢母材未发生熔化,焊缝与钢母材为钎焊连接,拉伸试样的破坏位置发生在接头铝母材热影响区,接头的抗拉强度与铝合金电弧熔化焊接头强度相当。

金属间化合物对AZ31B镁/6061铝异种金属激光焊接性的影响

对AZ31B镁合金和6061铝合金进行了异种金属激光搭接焊接,并着重分析了焊缝中金属间化合物对焊接性的影响。研究表明,中心搭接接头易在铝板内的焊缝近缝区和镁、铝板界面的焊缝部位出现凝固裂纹。边缘搭接接头中不同Mg-Al系金属间化合物在焊缝中弥散分布,并非以简单的金属间化合物层的形式存在。随镁元素在焊缝中浓度梯度的变化,焊缝各局部区域形成的Mg-Al系金属间化合物类型亦因之不同。在本试验条件下,采用适当的激光加工参数可以得到无裂纹的镁/铝异种金属搭接焊缝。但由于焊缝中Mg-Al系金属间化合物不可避免,焊缝脆化现象依然存在。多种金属间化合物分布的焊缝近缝区是焊接接头的薄弱部位。

镁/铝异种金属焊接技术的研究进展

镁、铝化学活性强、极易被氧化、热传导率和线膨胀系数较大,在镁/铝异种金属焊接过程中会导致金属间化合物的生成和气孔、裂纹等缺陷的产生,这都对其接头的组织和性能有重要影响。该文从固相焊、熔焊、钎焊三方面综述了近年来镁/铝异种金属的焊接工艺,论述了各个工艺及其改型工艺的焊接机理及参数优化,归纳了控制镁/铝金属间化合物形成和改善其组织分布的方法;与此同时,对镁/铝异种金属焊接领域的发展方向进行了展望,评述其下一步应重点关注的内容,为后续镁/铝异种金属焊接研究提供了一定的理论基础和技术支撑。

镀锌钢-6016铝合金异种金属加入中间夹层铅的激光焊接

对1.2 mm厚镀锌钢板和1.15 mm厚6016铝合金平板试件进行了加入中间夹层铅的激光搭接焊试验,通过调整焊接工艺参数获得最佳焊接成形,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射、微机控制电子万能试验机等手段研究了焊接接头各区域的金相组织、断口形貌、主要物相与接头力学性能.结果表明,在钢/铝激光焊中添加中间夹层铅,焊接接头的平均抗拉强度和断后伸长率分别为68.51 MPa和2.37%,与没有加铅夹层相比,抗拉强度和断后伸长率明显提高;夹层铅的加入,改变了钢/铝界面的元素分布、物相组成及微观组织形态,焊接接头过渡区域Fe,Al,Zn,Mg,Pb元素的混合区宽度较大,除生成Fe-Al,Mg-Zn脆性金属间化合物外,产生了新的金属间化合物Mg2Pb,改善了焊缝金属的力学性能.

铝/铜异种金属脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊接头的组织与力学性能

采用ER4047铝硅焊丝对5052铝合金与T2紫铜进行脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊,并对接头显微组织、物相成分及力学性能进行分析。结果表明:通过控制焊接热输入可以获得成形良好的铝/铜熔钎焊搭接接头。焊接接头由铝侧熔合区、焊缝区和铜侧类钎焊区组成,其中铜侧类钎焊区可分为金属间化合物层区和Al-Cu共晶区两部分。焊缝区组织为珊瑚状Al-Cu共晶体均匀分布在α(Al)固溶体中;铜侧金属间化合物层主要由条块状Al_2Cu组成。随着焊接热输入的增大,金属间化合物层的厚度在增大,而接头的抗拉强度先增大后减小;当熔化的焊丝及铝母材在铜母材上润湿良好并且焊缝与铜母材之间金属间化合物的厚度较小时,接头抗拉强度达到最大值,为167.7 MPa。

铜铝异种金属激光焊接焊缝成形和组织

用IPG YLS-1500型光纤激光器对TU1镀镍无氧铜和6061铝合金进行激光搭接焊试验,探究焊缝成型及显微组织,通过扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)观察并分析接头的组织形貌。结果表明:接头成型良好,铜铝充分融合,焊缝横截面处有明显的铝向铜侧扩散。铝侧熔合线到焊缝中心,先形成珊瑚状的亚共晶组织Al_(2)Cu+Al Cu,而后是平行排列的板条状Al_(2)Cu和块状Al Cu,最后为紧密排列的块状Al Cu和Al_(4)Cu_(9)。由于熔池溶液的流动,熔池中出现了不规则的"T"形晶粒。接头的剪切力达铜母材拉伸力的43.0%,为脆性断裂,接头内生成的Al_(2)Cu和Al_(3)Cu_(4)金属化合物是导致裂纹扩展的主要原因。

母材相对位置对搅拌摩擦焊接铝/铜异种金属接头性能的影响

铝、铜两种金属性能差异较大,用常规焊接方法难以实现连接,极大地限制了铝/铜复合接头的质量和应用范围.利用搅拌摩擦焊接技术成功焊接了防锈铝合金/紫铜异种金属的对接接头,通过焊缝接头表面宏观形貌观察、接头横断面组织分析及接头的抗拉强度分析母材相对位置对铝/铜搅拌摩擦焊接头性能的影响.结果表明,搅拌针相对配合面存在偏移的情况下,母材铜板放置在返回侧时,焊缝接头的成形性好;接头的组织形貌出现明显的"洋葱"环状;接头的最大抗拉强度达到225 MPa,可达母材紫铜抗拉强度的76.3%;接头断裂多发生在前进侧热影响区或接头的焊核区域.

低碳钢与铝合金异种金属搭接激光-滚轮焊接

为了提高低碳钢与铝合金异种金属的焊接性能,采用激光-滚轮焊接工艺对低碳钢和铝合金搭接接头的焊接性能进行了研究,通过试验确定最佳工艺参数.采用激光显微镜和拉伸试验机分别分析了焊接接头组织和拉伸剪切性能.结果表明,随着激光功率的减少或焊接速度的增加,金属间化合物层厚度和接合宽度随之减小.随着滚轮压力的增加,金属间化合物层厚度随之增加.当金属间化合物层厚度为4～6μm,热输入量范围为375～800 J/cm时,拉伸剪切试样断裂位置均位于低碳钢母材侧.

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。