镀锌钢/6061铝合金激光熔钎焊接头组织和性能研究

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能源、安全、环保已成为时代的主题,随着环境污染,能源危机的逐步加剧,铝钢连接在汽车轻量化中得到应用。Fe、Al因其熔点、密度及线膨胀系数等差异使得焊后易开裂;铝和钢异种金属冶金反应产生的硬脆Fe-Al金属间化合物,恶化接头力学性能。激光焊因其能量密度高、热量集中、热影响区窄、冷却速度快、易实现自动化等优势,可控制铝钢产生的金属间化合物的生成。CMT因其送丝和熔滴过渡的精确控制和协调,非常适合异种金属的焊接。本文通过采用光纤激光设备和冷金属过渡焊(CMT)对等厚度6061铝合金和镀锌钢进行了熔钎焊搭接实验。其中激光焊接采用IPG5000型光纤激光加工设备,采用AlSi5钎料。确定焊接工艺参数为:激光功率3000W,焊接速度7mm/s,焦距为308mm,纯氩气保护气流量19L/min。采用OM、SEM观察焊缝横截面形貌。铝合金/镀锌钢接头横截面显微组织可分为熔合区、钎焊界面区、富锌区、热影响区和熔合区。通过对沿钎焊界面断裂的试样进行XRD测试发现钎料/钢钎焊界面层钢一侧有Fe2Al5Zn0.4、Fe3(Al,Si)0.5及Fe3(Al,Si)0.7相生成。接头显微硬度显示,钎焊界面区的硬度高于熔合区和富锌区。拉伸测试结果表明,接头断裂主要发生在钎料/钢界面。送丝速度为2.5mm/s、3.5mm/s、4.5mm/s时的接头强度分别为30.5MPa,61.3MPa,70.7MPa。CMT焊接,焊接电流60A,焊接电压14.4V,对比分析焊接速度分别为3.5mm/s(1#)、4.5mm/s(2#)、5.5mm/s(3#)时的焊缝成型及微观组织。对三个试样进行拉伸测试。结果显示,1#、2#、3#试样的拉伸强度分别为97.11MPa、113.12MPa、137.63MPa。1#和2#试样的断裂位置靠近铝热影响区,为拉应力断裂。且在焊跟处的显微观察看出1#和2#试样都有裂纹,裂纹方向垂直与焊接热影响区及熔合区部分晶粒长大方向。3#试样沿钎焊界面层断裂,为剪切断裂。对CMT焊接试样在Zwick/Roell疲劳试验机上进行了低周疲劳实验。通过疲劳数据和疲劳断口分析铝合金/镀锌钢的疲劳性能。疲劳测试显示,铝合金/镀锌钢CMT熔钎焊接头1#试样在最大拉应力σmax=22.5MPa下经过100万次循环而未断。2-1#试样在最大拉应力为σmax=25MPa下,仅经历74次循环断裂。疲劳断裂在铝热影响区。2-2#试样在σmax=22.5MPa的最大拉应力下,经过59800次循环断裂,断裂位置靠进铝热影响区,断裂面与拉力方向垂直。通过应力应变滞回线分析疲劳断裂过程中应力应变关系。通过应变幅与循环次数的关系分析接头的循环硬化和循环软化特性。通过SEM疲劳断口观察显示,疲劳断口分三个区域:疲劳源、疲劳区、瞬断区。疲劳断口上有多个疲劳源。疲劳区有许多河流花样和疲劳条带上的二次裂纹,瞬断区有韧窝。
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