超高强钢铝合金异种金属等离子弧焊的研究

1、超高强钢 / 铝合金异种金属等离子弧焊的研究汽车轻量化已成为节约能源、 降低排放、 减少污染的主要选择对策。 增加超 高强钢、铝合金等轻质材料的使用量是实现汽车轻量化的有效技术措施。由于钢和铝在物理、 化学性质及晶体结构上存在显著的差异且Fe 和 Al 之间的固溶度极低, 导致钢 / 铝焊接接头极易形成大量脆性的 Fe-Al 金属间化合物 , 严重恶化了焊接性及接头的力学性能, 这已成为制约汽车轻量化技术发展的关键科学技术问题之一。 因此 , 开展超高强钢 / 铝合金异种金属等离子弧焊的研究具有重要实用价值和理论意义。本文主要研究了 DP1180超高强钢/5A06铝合金等离子弧焊接头的微观组织

2、及力学行为特点 , 焊接工艺因素对钢 / 铝接头微观组织及力学性能的影响规律。 研 究结果表明 , 超高强钢 /铝合金等离子弧焊接头具有典型的熔-钎焊接头特征, 接头主要由熔合区、焊缝区和界面区组成。熔合区结合良好，无未熔合、裂纹等焊接缺陷。焊缝区主要为a -Al固溶体， 由于成分过冷度的变化，从熔合线到焊缝中部a -Al经历了胞状晶、胞状树枝晶、 树枝晶的变化过程。焊接过程中发生Fe、 Al 原子的互扩散, 在界面区形成脆性的 Fe-Al 金属间化合物（IMC）层，靠近钢母材为舌状的Fe2Al5;靠近铝焊 缝为针状的 Fe4Al13 。钢 /铝接头的显微硬度分布极不均匀 , 由于界面区主要由

3、 Fe2Al5 、 Fe4Al13 组成 , 其显微硬度值最高。在拉伸应力作用下, 接头脆性断裂均发生在界面区。因此, 界面区是钢 / 铝等离子弧焊接头最薄弱的区域。根据试马结果，本文研究探讨了界面IMC生长机制。焊接工艺因素对钢/铝接 头的焊缝成形、微观组织和力学性能具有明显的影响。钢母材坡口角度45、 铝母材坡口角度0有利于改善焊缝成形。 使用 Al-Si焊丝条件下，随着焊接电流增加，界面IMC层厚度和接头抗拉强度增加；焊接电流 90A 时接头强度达到最大值（62MPa） ; 进一步增加焊接电流, 由于焊接线能量过大导致界面区产生裂纹, 使接头强度明显降低。随着焊接速度增加，IMC层厚度减

4、小，接头强度增加，焊接速度320 mm/min时接头强度达到最大值, 进一步增加焊接速度, 由于焊接线能量减小界面区产生未熔合缺陷，使接头强度降低。在本试验条件下，焊接线能量2227J/cm （焊接电流90A、焊接速度320mm/miij时有利于改善钢/铝接头的微观组织及力学性能。与使用Al-Si焊丝相比，使用Al-Cu焊丝可减小界面IMC层厚度、界面区硬度和产生裂纹的敏感性, 因此明显提高钢/ 铝接头的抗拉强度（118MPa） 。这主要与 Cu 阻碍界面 Fe-Al 金属间化合物生长和界面层改性有关。在焊接过程中 , 随着 Fe2Al5 、Fe4v/subAl13v/sub的形核长大,Cu原子会沉积在已形成的IMC晶粒表面阻碍Fe、 Al 原子的互扩散和 Fe4Al13 的小平面择优生长，使界面层厚度减小。由于Cu与Fe的原子结构类似，在界面反应过程中 Cu原子置换 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层的综合力学性能及裂纹敏感性，因 此明显提高了钢/ 铝接头的力学性能。基于本文研究结果, 在钢母材坡口角度4