【摘 要】
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汽车轻量化是实现“碳达峰,碳中和”战略目标的主要途径之一,使用铝硅镀层22MnB5钢来制造汽车车身A柱、B柱及前后保险杠等结构件能够在保证安全性能的同时减轻汽车重量。但是,铝硅镀层22MnB5钢在激光焊接时因镀层中铝进入焊缝会导致焊接接头强度仅为母材的80%左右。针对该问题,本文采用高功率光纤激光器对铝硅镀层22MnB5钢进行激光拼焊,研究了铝硅镀层对22MnB5钢激光焊缝形貌、显微组织及性能的影
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汽车轻量化是实现“碳达峰,碳中和”战略目标的主要途径之一,使用铝硅镀层22MnB5钢来制造汽车车身A柱、B柱及前后保险杠等结构件能够在保证安全性能的同时减轻汽车重量。但是,铝硅镀层22MnB5钢在激光焊接时因镀层中铝进入焊缝会导致焊接接头强度仅为母材的80%左右。针对该问题,本文采用高功率光纤激光器对铝硅镀层22MnB5钢进行激光拼焊,研究了铝硅镀层对22MnB5钢激光焊缝形貌、显微组织及性能的影响;并通过焊缝镍合金化以及改变焊接保护气类型（Ar,Ar+20%CO2,Ar+60%CO2,CO2）,分别研究了镍含量及保护气中的CO2含量对铝硅镀层22MnB5钢激光焊接接头组织性能的影响,旨在为铝硅镀层22MnB5钢激光焊接接头组织性能调控提供理论依据和基础数据。主要研究内容及结论如下:（1）研究了铝硅镀层对激光焊接接头组织性能的影响:铝硅镀层导致激光焊缝表面粗糙且与热影响区的边界呈曲线,焊缝表面周期性波纹消失,主要原因为铝在熔池表面分布不均导致表面流动紊乱,剧烈非周期性振荡的液态金属向熔池两侧冲击;铝硅镀层进入焊接熔池后在不同数量级的速度矢量驱动下在熔合线附近发生了铝富集,进而导致粗大富铝δ铁素体的形成,且研究发现该组织在后续的淬火热处理（模拟实际生产中的热冲压过程）过程中不发生相变;激光焊接接头经淬火热处理后拉伸断裂位置出现在焊缝区,粗大δ铁素体与马氏体之间的相界面是裂纹扩展的主要通道;δ铁素体的形成及其含量与焊缝中固溶铝含量直接相关,通过焊缝合金化抑制固溶铝对相变过程的影响或降低焊缝中固溶铝含量可有效抑制粗大δ铁素体形成。（2）研究了镍含量对激光焊接接头组织性能的影响:以箔片形式加入合金化元素镍可显著改变富铝焊接熔池的凝固过程,随着镍含量的增加可减少凝固初生相δ铁素体含量,甚至改变凝固初生相类型（δ铁素体→γ奥氏体）。镍箔厚度为60μm时焊缝组织为全马氏体,焊接接头强度达到1670MPa并断裂于母材。进一步的实验及数值模拟研究发现摆动激光可促进焊缝中镍和铝的均匀分布以及焊缝硬度的均匀性,原因在于速度矢量的非对称性及对流强度的增加增强了熔池中液相凝固前的对流传质。（3）研究了保护气对激光焊接接头组织性能的影响:随着保护气中CO2含量的增加,焊缝中平均固溶铝含量逐渐降低（1.81wt.%→1.39wt.%）,原因在于激光焊接时保护气中的CO2可发生电离和解离,镀层中的部分铝和CO2以及其解离产生的氧发生反应形成以Al2O3为主的黑色颗粒物存在于焊缝表面;增加保护气中的CO2含量可将δ铁素体含量由Ar保护时的29.4%降低至5.5%,之所以无法完全消除的主要原因可能在于熔池表面絮状漂浮物的存在抑制了铝的进一步氧化反应,当保护气为100%CO2时焊接接头强度可达到母材的95%。（4）对比而言,镍合金化方法通过抑制焊缝中固溶铝对熔池凝固过程的影响,未改变进入焊接熔池内固溶铝的总量,当镍箔厚度为60μm（镍含量处于7.5wt.%-10wt.%）时获得全马氏体组织,在实验室实现了 22MnB5钢带铝硅镀层直接激光焊接。而采用含有CO2的保护气进行激光焊接时,则是通过控制焊接区气氛进而将镀层中部分铝转变为氧化铝,进而显著降低焊缝中的固溶铝和δ铁素体含量,焊接接头强度最高达到母材的95%。
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