超高強鋼鋁合金異種金屬等離子弧焊的研究

1、超高強鋼 / 鋁合金異種金屬等離子弧焊的研究汽車輕量化已成為節(jié)約能源、 降低排放、 減少污染的主要選擇對策。 增加超 高強鋼、鋁合金等輕質(zhì)材料的使用量是實現(xiàn)汽車輕量化的有效技術(shù)措施。由于鋼和鋁在物理、 化學(xué)性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)上存在顯著的差異且Fe 和 Al 之間的固溶度極低, 導(dǎo)致鋼 / 鋁焊接接頭極易形成大量脆性的 Fe-Al 金屬間化合物 , 嚴(yán)重惡化了焊接性及接頭的力學(xué)性能, 這已成為制約汽車輕量化技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題之一。 因此 , 開展超高強鋼 / 鋁合金異種金屬等離子弧焊的研究具有重要實用價值和理論意義。本文主要研究了 DP1180超高強鋼/5A06鋁合金等離子弧焊接頭的微觀組織

2、及力學(xué)行為特點 , 焊接工藝因素對鋼 / 鋁接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。 研 究結(jié)果表明 , 超高強鋼 /鋁合金等離子弧焊接頭具有典型的熔-釬焊接頭特征, 接頭主要由熔合區(qū)、焊縫區(qū)和界面區(qū)組成。熔合區(qū)結(jié)合良好，無未熔合、裂紋等焊接缺陷。焊縫區(qū)主要為a -Al固溶體， 由于成分過冷度的變化，從熔合線到焊縫中部a -Al經(jīng)歷了胞狀晶、胞狀樹枝晶、 樹枝晶的變化過程。焊接過程中發(fā)生Fe、 Al 原子的互擴散, 在界面區(qū)形成脆性的 Fe-Al 金屬間化合物（IMC）層，靠近鋼母材為舌狀的Fe2Al5;靠近鋁焊 縫為針狀的 Fe4Al13 。鋼 /鋁接頭的顯微硬度分布極不均勻 , 由于界面區(qū)主要由

3、 Fe2Al5 、 Fe4Al13 組成 , 其顯微硬度值最高。在拉伸應(yīng)力作用下, 接頭脆性斷裂均發(fā)生在界面區(qū)。因此, 界面區(qū)是鋼 / 鋁等離子弧焊接頭最薄弱的區(qū)域。根據(jù)試馬結(jié)果，本文研究探討了界面IMC生長機制。焊接工藝因素對鋼/鋁接 頭的焊縫成形、微觀組織和力學(xué)性能具有明顯的影響。鋼母材坡口角度45、 鋁母材坡口角度0有利于改善焊縫成形。 使用 Al-Si焊絲條件下，隨著焊接電流增加，界面IMC層厚度和接頭抗拉強度增加；焊接電流 90A 時接頭強度達到最大值（62MPa） ; 進一步增加焊接電流, 由于焊接線能量過大導(dǎo)致界面區(qū)產(chǎn)生裂紋, 使接頭強度明顯降低。隨著焊接速度增加，IMC層厚度減

4、小，接頭強度增加，焊接速度320 mm/min時接頭強度達到最大值, 進一步增加焊接速度, 由于焊接線能量減小界面區(qū)產(chǎn)生未熔合缺陷，使接頭強度降低。在本試驗條件下，焊接線能量2227J/cm （焊接電流90A、焊接速度320mm/miij時有利于改善鋼/鋁接頭的微觀組織及力學(xué)性能。與使用Al-Si焊絲相比，使用Al-Cu焊絲可減小界面IMC層厚度、界面區(qū)硬度和產(chǎn)生裂紋的敏感性, 因此明顯提高鋼/ 鋁接頭的抗拉強度（118MPa） 。這主要與 Cu 阻礙界面 Fe-Al 金屬間化合物生長和界面層改性有關(guān)。在焊接過程中 , 隨著 Fe2Al5 、Fe4v/subAl13v/sub的形核長大,Cu原子會沉積在已形成的IMC晶粒表面阻礙Fe、 Al 原子的互擴散和 Fe4Al13 的小平面擇優(yōu)生長，使界面層厚度減小。由于Cu與Fe的原子結(jié)構(gòu)類似，在界面反應(yīng)過程中 Cu原子置換 Fevsub2v/subAlvsub5v/sub、Fe4v/subAl13v/sub 中的部分 Fe 原子生成（Fe,Cu） vsub2v/subAlvsub5v/sub 和（ Fe,Cu）vsub4v/subAlvsub13v/sub,改善了 IMC層的綜合力學(xué)性能及裂紋敏感性，因 此明顯提高了鋼/ 鋁接頭的力學(xué)性能。基于本文研究結(jié)果, 在鋼母材坡口角度4