铝/钢异种金属的激光焊接及喷丸对接头组织和性能的影响研究

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铝/钢异种材料的焊接是实现汽车轻量化的关键,但由于Al和Fe在焊接过程中易生成脆性的Fe-Al金属间化合物相,恶化接头的力学性能,成为了其应用的主要障碍。激光焊接具有能量密度高、加热速度快、加热范围小、焊接热影响区小并且精度高易于控制的特点,控制热输入可以在一定程度上抑制铝/钢焊接过程中金属间化合物的形成。但是焊接过程中温度场变化快、焊缝组织性能不均匀等问题仍很大程度上影响着接头的性能。研究表明,采用喷丸的方式处理焊接接头可以细化表层晶粒,使接头表面组织均一化,改善接头的力学性能。因此本文采用旋转加速喷丸技术对激光焊接后的铝/钢接头进行处理,并测定喷丸前后焊接接头的表层及内部的组织组成和力学性能变化,研究喷丸对铝/钢接头力学性能的影响。本文使用YLR连续型光纤激光器及DX200六轴联动机器人对2mm的6061铝合金和1mm的Q235钢进行搭接焊,研究激光功率、焊接速度及离焦量等参数对接头的影响。使用金相显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)对接头的组织形貌进行观察,使用能谱(EDS)、X射线衍射(XRD)等仪器分析接头金属间化合物层的组织成分,通过显微硬度和拉伸实验评定接头的力学性能。结果表明,当激光功率在800W-950W时,可以形成有效的接头。当激光功率为850W,焊接速度为30mm/s,离焦量为5mm时,接头性能最佳,此参数下接头承载能力最高可达2407N。焊缝-铝侧产生了5-20μm厚的金属间化合物层,金属间化合物的成分主要为FeAl和FeAl3。不同激光参数下的接头均沿焊缝-铝界面发生断裂,断裂方式为准解理断裂。使用旋转加速喷丸处理最佳激光参数下得到的焊接接头,研究喷丸后焊接接头表面形貌的变化,并测定喷丸后接头的硬度、抗拉强度、断口形貌。通过金相观察,发现喷丸处理时焊接接头表面产生了较大的塑性变形。喷丸提高母材与焊缝表面的硬度,使焊缝区的硬度实现了均一化。5min的喷丸对接头强度有一定的提升,喷丸后接头强度最大达2690N,比喷丸前提高了11.7%,喷丸后接头的韧性有了很大的提升。断口判断为混合断裂模式,在断口处还可以观察到一些弥散分布的韧窝。通过旋转加速喷丸,实现了接头表面性能的增强。
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