论文部分内容阅读
随着全球气候变化、环境污染以及能源危机的日益加剧,轻量化成为汽车工业可持续发展的重要手段。车身是汽车的重要组成部分,是整车轻量化的关键。铝合金等轻金属因其密度低、比强度高,成为车身轻量化的首选材料。然而由于材料自身的高成本以及制造工艺的不成熟,全铝车身的应用和开发受到极大的限制,因此,在全钢车身中引入铝合金等轻合金材料,即铝钢混用,已成为现阶段车身轻量化的必然选择。然而,铝合金与钢的热导率、电阻率、热膨胀系数等属性差异较大,且熔化焊时容易形成硬脆的铁铝金属间化合物（IMC,Intermetallic Compound）层,这对传统的车身焊接工艺提出巨大挑战。针对现有铝钢异种金属连接工艺的不足,本文提出并研发了铝钢异质材料冷金属过渡CMT（Cold Metal Transfer）电弧点焊工艺,研究了不同工艺模式下接头性能、微观组织以及电弧形态,确立了最优的电弧点焊工艺模式。揭示了接合面上IMC层厚度和宽度对接头力学性能和失效模式的控制规律,探索了熔钎焊界面热场动态演化对铝钢界面金属间化合物形成的控制规律,分析了腐蚀环境对接头性能和失效模式的影响机制,形成了铝钢异种金属电弧胶焊新工艺,为铝钢在轻量化车身中的混用提供了可靠的连接方法。全文的主要研究工作如下:1)铝钢冷金属过渡点焊电弧作用模式研究提出直接焊接（DW）、塞焊（PW）以及动态孔边塞焊（EPW）三种焊接模式,比较了接头力学性能、焊点宏观形貌、微观铁铝金属间化合物层、显微硬度以及电弧形态与熔滴过渡的差别。研究发现:DW模式需要较高的热输入以熔化上层铝板并使热量传到铝钢界面,界面锌蒸气难以逃逸,导致接头中产生严重的裂纹与气孔,以及较厚的界面IMC层,因而接头力学性能差且不稳定。PW模式由于铝板工艺孔的存在,所需热输入大幅减低,但是集中加热致使界面IMC层不均匀,钢板表面锌层剧烈蒸发导致焊接电弧不稳定、接头性能差。采用EPW工艺模式可有效排开钢板表面锌层蒸发对焊接电弧与熔滴过渡过程的影响,接头中IMC层厚度薄且均匀,接头力学性能稳定且强度最高。因此确立EPW模式是铝钢冷金属过渡电弧点焊最优的电弧作用模式。2)铝钢冷金属过渡点焊接头断裂机理研究通过研究铝钢电弧点焊界面IMC层微观组织和成分、铝侧焊核的显微硬度与晶粒组织,揭示接头拉剪测试中断裂路径扩展机理,建立了接头强度与结合面IMC层宽度和最大厚度的关系。研究表明:当焊接热输入较低时,接头的拉剪强度随着熔核直径的增加而增加。接头裂纹首先从根部富锌区萌生,然后向熔核中心方向扩展,到达紧致IMC层的边缘后向铝侧熔核延伸,沿着柱状晶与等轴晶界面的软化区扩展,断裂模式随着热输入的增加从部分厚度断裂转变为纽扣断裂。当焊接热输入较高时,接头IMC层最大厚度超过8μm,强度随热输入的增加而下降,失效模式为沿界面铁铝IMC层断裂。3)铝钢电弧点焊界面传热行为及IMC生长机理采用红外热像仪测量了焊接过程中钢板内部靠近结合面处的温度,并使用修正的外推算法计算界面温度演化历史,基于温度历史采用热力学与动力学分析对界面铁铝IMC生长进行了预测,并对焊接参数进行优化。研究发现:采用红外测温与外推计算结合可以较好的获得熔钎焊界面温度,焊枪到达270°位置时,总热量积累达到最大值。熔钎焊过程中可能生成的铁铝IMC相有Fe Al、Fe2Al5以及Fe Al3,其中Fe2Al5的生长动力学系数远大于其他相,因此电弧点焊过程中界面主要生成的相为Fe2Al5。IMC的生长与焊接热输入满足抛物线关系,利用该关系可准确预测IMC层生长历史与最终厚度。利用该方法对工艺参数进行优化的结果表明,当焊丝偏移量为0 mm以及焊枪折返角度为22.5°时,采用EPW模式焊接接头性能达到最优。4)铝合金与镀锌钢板电弧点焊接头腐蚀研究对接头进行电化学参数测量,研究经过盐雾循环腐蚀后接头形貌、力学性能以及微观组织与成分,并与经过电泳工艺处理的试样进行比较。基于接头腐蚀机理,提出冷金属过渡电弧胶焊工艺以提高铝钢异种金属接头的抗腐蚀能力,研究了胶层引入对焊接过程以及接头形貌、性能的影响,并验证胶焊接头的抗腐蚀性能。研究发现:接头中钢板表面镀锌层以及焊核根部富锌区的开路电位最低,最先发生腐蚀;界面铁铝IMC层的开路电位次之,待锌层腐蚀完全之后发生氧化;铝合金与钢母材则不易腐蚀。20天的腐蚀测试对接头力学性能影响轻微,然而经过63天腐蚀测试,接头强度下降62%,断裂模式从部分厚度断裂转变为界面断裂。电泳涂层在腐蚀过程中可以对接头提供较好的保护。胶层的引入会影响铝钢冷金属过渡点焊过程电弧与熔滴过渡的稳定性,胶焊接头的烧损程度可分为轻微烧损或不烧损、中度烧损和严重烧损三种情况。轻微烧损或无烧损时胶焊接头性能显著高于电弧点焊接头。经过三周的浸泡腐蚀实验,胶焊接头抗拉剪强度下降的比例为7.36%,而无胶接头强度则下降34.24%。本文对铝钢冷金属过渡电弧点焊工艺过程、异种接头形成机理、接头力学性能和失效模式、接头腐蚀性能以及胶焊方法进行了系统研究,为推动铝钢在车身结构中的混合应用提供了理论依据和新方法。