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本文针对钢、铝合金异种金属异种结构焊接的各种难点,提出了界面熔合控制来抑制金属间化合物产生的研究思路,通过感应加热钎焊和冷金属过渡控制焊接热输入的CMT熔钎焊方法,研究Fe/Al异种金属接头界面反应层组织的生成规律和控制方法,探讨其分布特征与接头力学性能之间的关系规律。 基于有限元温度场模拟理论,分别建立了钢螺柱/铝板的感应加热钎焊的二维计算模型和CMT熔钎焊温度场的三维模型,对焊接过程钢螺柱与铝板的温度场分布进行模拟。模型中综合了两种金属随温度变化的各物理性能参数,展现感应加热及CMT熔钎焊过程中钢螺柱与铝板上热量的传递路径、温度场分布及特征点热循环曲线,并将模拟结果与焊接时相同参数下测得的热循环曲线进行对比,对模拟误差率进行估计,为后续焊接参数的制定提供了参考依据。 采用自制细管状钎料,进行了无中间层条件下Q235钢螺柱/6061铝板感应加热钎焊工艺试验,研究了界面金属间化合物分布特征。界面组织结构为:Fe基+Fe2Al5层+FeAl3层+Al-Si共晶组织+Al基。由于钎焊过程时间短,金属间化合物层厚度不随钎焊参数改变,Fe原子与Al原子发生反应先生成Fe2Al5相,后Fe原子在富铝的环境下生成FeAl3,同时随钎料的冷却凝固,共晶硅和少量FeAl3在铝基一侧析出。接头最大剪切强度为65MPa,断裂主要发生在靠近钢螺柱一侧的金属间化合物层,为脆性断裂。 在此基础上,提出以纯Ni作为中间层,进一步调整感应加热钎焊参数,研究了在Ni层参与下的Q235钢螺柱/熔化钎料/6061铝合金固液界面行为,界面金属间化合物的生成、分布特征。界面由Ni层/Al3Ni层/Al-Si共晶组织+析出Al3Ni+Al混合相组成,Al3Ni形成连续的相层后继续加热,Ni原子与Al3Ni相发生反应生成Al3Ni2相,界面由Ni层/不连续的Al3Ni2层/Al3Ni层/Al-Si共晶组织+析出Al3Ni+Al混合相组成。通过计算Fe原子在Ni基金属中的扩散系数,描述Ni中间层对钎焊界面Fe-Al金属间化合物生成的抑制机理。Ni中间层参与的界面熔合反应使得接头的剪切强度上升至88MPa,脆性断裂,断口表面存在大量Al3Ni2和Al3Ni金属间化合物。 为进一步探讨焊接热输入对界面组织与接头力学性能的影响,采用冷金属过渡控制焊接热输入的CMT熔钎焊方法,研究镀Ni层钢螺柱与熔化的Al焊丝固液界面在不同焊接热输入下金属间化合物生成和分布规律。焊缝与7A52铝合金界面为熔焊界面,熔敷金属与母材发生熔合,熔合区结合良好,无微观缺陷,熔化区主要由α-Al和Al-Si共晶组织组成;焊缝与螺柱界面为钎焊界面,界面生成灰色反应层,反应层厚度由根趾向焊趾方向逐渐减小,且在熔化区析出颗粒相逐渐减少。反应层由Fe2Al5+FeAl3组成,焊缝金属中析出的颗粒相及针状组织为FeAl3。角焊缝的焊趾部位产生富镍区域,主要由Al固溶体和Al3Ni的共晶组织及少量Al3Ni2组成。镀Ni层在焊接过程的行为减小了界面反应层的厚度,降低接头的脆性,且Ni元素在焊趾部位与Al元素混合,生成Al3Ni树枝晶与Al固溶体组成的共晶组织,阻止了铝铁金属间化合物在该区域的生成,有利于提高焊接接头质量。随着焊接热输入量的增大,界面反应层厚度逐渐变大,焊接热输入量在350~400KJ/m范围内时,可获得较高的力学性能,最高剪切强度达143MPa。 在此基础上,通过建立CMT熔钎焊钢螺柱与焊缝金属的钎焊界面反应层生长动力学方程,揭示焊接热输入量决定固液界面处Fe原子的浓度分布的机理,以及热输入量如何影响界面层生长过程。