【摘 要】
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结构轻量化是汽车、航空航天和船舶等运输领域的主要驱动力之一,铝合金和钢结构设计是在满足产品使用性能的基础上根据材料的物理、化学性能进行组合的最优方案,极大地减少了结构件本身的重量,从而在经济和环境水平上体现出巨大优势。然而铝钢的热物理性质差异使得接头可靠性难以保证,尤其冶金上的不相容性使得铝钢在连接过程中不可避免地形成脆硬金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,从而影
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结构轻量化是汽车、航空航天和船舶等运输领域的主要驱动力之一,铝合金和钢结构设计是在满足产品使用性能的基础上根据材料的物理、化学性能进行组合的最优方案,极大地减少了结构件本身的重量,从而在经济和环境水平上体现出巨大优势。然而铝钢的热物理性质差异使得接头可靠性难以保证,尤其冶金上的不相容性使得铝钢在连接过程中不可避免地形成脆硬金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,从而影响焊接接头的机械性能。激光焊接具有能量密度高和冷却速度快的特点,能够精准控制热输入,从而控制IMC的形成和生长。因此,本文开展了Q235钢和6061铝合金的激光熔钎焊工艺特性研究,分析了不同焊接热输入和能量密度下接头微观组织和力学性能,并对不同接头在NaCl盐溶液中的耐腐蚀性进行了探究,为实现铝钢异种金属连接提供理论和技术支持。采用直径1.6mm的AlSi5药芯焊丝实现了2mm厚度Q235钢/6061铝合金对接连接。在保持钢侧开60度坡口、铝侧不开坡口和预留1mm焊接间隙的对接条件下,其他的优化工艺参数为:激光偏移量0mm～+0.5mm、离焦量+20mm、激光功率2700w～2900w、送丝速度3.4m/min和焊接速度7mm/s。实验得出了离焦量、激光功率和送丝速度对焊缝表面成形和接头拉伸强度的影响规律,当钎料在接头正面和背面均形成良好润湿,接头拉伸强度最高达到227Mpa。研究了热输入和激光能量密度对AlSi5/AlSi12药芯焊丝铝钢激光钎焊界面微观结构形态和厚度的影响。热输入较低时,AlSi5药芯焊丝得到的钎焊界面处形成了非常窄的、不均匀的单一界面层θ-Fe Al2Si相,界面IMC层厚度从上到下逐渐递增,而采用AlSi12焊丝形成的钎焊界面则生成了τ-Fe Al3Si2相,界面附近存在少量游离的针状组织τ相。当热输入较大时,界面层厚度急剧增加,两种焊丝形成的钎焊界面IMC均发生分层现象,分别为靠近焊缝的锯齿状θ-Fe Al2Si相、靠近钢基体的平面状η-Fe2（Al,Si）5。相比于AlSi5焊丝,AlSi12焊丝形成的界面厚度有所减小,焊缝中Si元素含量的增加有效抑制了界面层的生长。对不同离焦量下界面IMC的形态和厚度分析表明,离焦量的增加等同于激光功率的减小,较大的离焦量和较高的激光功率匹配得到更加均匀的热源分布,接头界面层均鉴定为为单层θ相和靠近焊缝处游离的针状Fe Al3Si2相,平均厚度为5.2～6.7um。在拉伸测试中最常见的断裂方式为钎焊界面+焊缝中心复合断裂模式。当断裂位置为铝侧热影响区时,接头具有较高的拉伸强度。对断裂面微观组织进行鉴定分析得到,断裂面残存η-Fe2（Al,Si）5相和θ-Fe Al2Si相。通过NaCl盐溶液浸泡试验和电化学测试对母材和铝钢接头耐腐蚀性能进行了探究。随着浸泡时间的增加,接头和母材失重速率均表现出先减小后增加的趋势,钢母材和接头均发生了剥落腐蚀,耐腐蚀性顺序为:6061铝合金＞AlSi5/AlSi12接头＞Q235钢。稳态极化测试表明,钝化后的接头发生亚稳态点蚀,接头的Ecorr和Icorr表明铝钢接头相比于母材更容易发生腐蚀行为,但在一定程度上腐蚀速率降低。电化学阻抗测试表明,不同于母材的单个容抗半圆弧,采用AlSi5/AlSi12焊丝的得到的焊接接头交流阻抗具有两个时间常数的等效阻抗半圆弧,激光功率为3.1kw时接头均具有最大的容抗弧半径,该参数下接头具有较好的耐腐蚀性能。
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