【摘 要】
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在汽车、船舶及航空航天等领域,使用铝-钢焊接复合结构可有效减轻结构的自身重量,从而提高燃油利用率并且减少尾气排放和减少碳排量。但是由于铝合金和钢在物理性能方面存在很大差异,例如熔点、线膨胀系数、固溶度等差异将使铝合金与钢很难形成传统的熔化焊接头。尤其是两种材料的晶体结构、电负性的差异,会造成界面处大量硬而脆的金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)形成,严重降低接头
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在汽车、船舶及航空航天等领域,使用铝-钢焊接复合结构可有效减轻结构的自身重量,从而提高燃油利用率并且减少尾气排放和减少碳排量。但是由于铝合金和钢在物理性能方面存在很大差异,例如熔点、线膨胀系数、固溶度等差异将使铝合金与钢很难形成传统的熔化焊接头。尤其是两种材料的晶体结构、电负性的差异,会造成界面处大量硬而脆的金属间化合物(Intermetallic Compounds,IMCs)形成,严重降低接头力学性能。针对上述铝合金与钢焊接中存在的技术难题及界面科学问题,本文采用电弧辅助激光熔钎焊方法进行了铝合金与钢的对接焊,研究了界面微观组织与工艺参数之间的关系,并通过数值分析方法揭示界面IMCs形成机理及相关界面扩散行为,基于试验观察及理论建模提出界面调控策略。本研究将对铝合金与钢焊接技术的实际应用具有重要的理论指导作用。采用电弧辅助激光熔钎焊方法,实现了铝合金与镀锌钢的对接焊。辅助电弧的添加可以提高熔融铝在钢表面的浸润铺展能力,获得了单面焊双面成型的对接接头。针对铝/钢界面金属间化合物,通过试验分析、理论模型以及调控策略,系统地研究了Al/Fe异种金属焊接的界面行为。主要从以下几方面开展研究:(1)研究了界面微观组织与工艺参数及接头力学性能之间的关系,总结了电弧辅助激光熔钎焊工艺特性;(2)通过介观-微观多尺度数值分析揭示了界面金属间化合物形成机理与界面原子扩散行为;(3)探究了界面力学及腐蚀性能,并提出合金元素及纳米颗粒调控的界面调控策略。研究了工艺参数对接头成型及界面IMCs相的影响规律,激光线能量、电弧电流以及热源间距等工艺参数,将对接头的正面、背面成型具有重要影响。随着激光线能量和电弧电流的增加铺展宽度将增加,但是过大的激光线能量及电弧电流将使熔化的铝合金的量增加,从而造成焊缝塌陷或焊穿。Al/Fe界面处主要由两种层状IMCs组成,分别是靠近钢母材侧的Fe2Al5和靠近铝焊缝侧的Fe4Al13,其中Fe2Al5相作为界面的主要相,并且其厚度远大于Fe4Al13相。IMCs层厚度主要随激光线能量的增加而增加。接头抗拉力学性能受铺展成型及界面厚度共同影响,断裂主要为韧-脆混合型断裂,当界面IMCs过厚时,即使成型良好的接头力学性能也将严重下降,因此界面IMCs为接头力学性能主要决定性因素。通过有限元方法建立了焊接过程的温度场,温度场平面分布呈现典型双热源特性,高温区(>600℃)呈现出前大后小的“葫芦”状分布。分析了不同工艺参数下的工件表面温度分布与散热特性,以及竖直界面处的热循环曲线。基于界面热循环特征,通过蒙特卡洛方法(Monte Carlo)结合元胞自动机方法(Cellular automata),建立了界面IMCs相介观尺度上的生长数值模型,研究了界面IMCs的生长曲线、界面峰值温度、冷却时间及温度梯度等热循环特性对IMCs厚度的影响,研究了Si元素添加对IMCs相的生长的影响。采用分子动力学在“微-纳”尺度下,建立了界面原子的相互扩散,研究了Al、Fe异种原子的跨界面扩散行为。在铝/铁界面扩散时,界面扩散主要为Fe原子扩散至Al原子晶格中,随着温度的升高两种原子扩散更加剧烈,相比于Al原子,Fe原子具有较小的扩散激活能及扩散系数,扩散模式主要为空位扩散机制。当模型中考虑中间IMCs层时,主要发生的为Al原子跨越IMCs构型向Fe晶体结构中的扩散,IMCs构型中扩散主要沿垂直于界面方向,扩散机制主要为空位扩散及间隙扩散机制。通过纳米压痕及电化学腐蚀试验,揭示了界面IMCs的力学及腐蚀性能。在界面中Fe2Al5相具有最高的硬度及较高的杨氏模量,并且Fe2Al5塑性能量耗散最低,裂纹将容易在其上产生。腐蚀性能方面,在界面处Al母材将作为阳极,而IMCs与钢为阴极,腐蚀主要发生在Al一侧,腐蚀产物主要为Al(OH)3/Al2O3,界面层中Al/IMCs界面的耐腐蚀性低于Fe/IMCs的耐腐蚀性。通过填充焊丝及纳米颗粒方式对界面IMCs层进行冶金及纳米调控,添加Al-Si焊丝可以改变IMCs原有的组成,形成新的Al-Fe-Si三元相,从而减小界面层厚度提高抗拉强度及塑性。另一方面,添加Si O2纳米颗粒能够通过纳米吸附效应,阻碍界面原子相互扩散,抑制界面层生长,最大抗拉强度可达185.3MPa。
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