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铝及铝合金是现如今应用较为广泛的金属材料,具有较小的密度,较高的比强度,以及在常温下保持良好力学性能等优点。钢的经济性好、强度高是一种应用最广的结构材料,在制造业中始终处于主导地位。因此,铝-钢异种金属连接的混合结构在减轻车辆自重以及节能减排方面具有突出的潜在优势。铝-钢体系的润湿行为及界面结构对于铝-钢连接极其重要,然而对于此研究仍然存在一些不确定因素。同时,钢表面的镀锌层在铝-钢连接工艺中似乎必不可少,然而锌的作用机制至今仍不明确。 本文在CMT(Cold Metal Transfer)条件下以大功率激光为背光源,采用高清数码相机记录并分析了4043铝合金熔体分别在裸钢板和镀锌钢板表面的润湿行为,总结归纳出润湿行为与润湿工艺参数的关系,同时利用扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)考察探究了界面的形成机理。结果表明:当铝合金熔体在不同送丝速度下润湿裸钢表面时,初始接触角几乎与送丝速度无关,初始接触角均接近于铝-钢本征接触角;当铝合金熔体在镀锌钢表面润湿时,锌蒸汽将导致工艺不稳定,主要归结于液-固界面上的锌蒸汽阻隔了熔体与母材的接触,即“Leidenfrost”效应;铝-钢体系最终润湿性取决于氧化膜的去除程度;界面结构的形成以及最终润湿的程度由热输入-界面的温度-界面反应三者之间的依存关系决定;利用吸附能的计算公式可以解释并预测了界面结构以及富锌区的形成;当铝合金熔体在裸钢表面润湿时,润湿行为与润湿工艺参数中的送丝速度v和润湿时间t密切相关,具体可以表达为:当 v≤4 m/min时θ(t)=θ0+2(54–10v)(1–exp[(0.33–3v)t],当v>4 m/min时θ(t)=θ0+(58–7v) exp[–(1.7–0.15v)t];在铝-钢润湿行为的研究中,镀锌层所起到的主要作用为镀锌层蒸发后保证了钢板洁净表面,并且锌蒸发后带走部分热量从而降低了界面反应温度。铝合金熔体在镀锌钢板上润湿的最终接触角接近铝-钢本征接触角,即锌的另外一个作用为保证了铝合金熔体在本征接触角下润湿钢板。 由于在铝-钢连接过程中锌蒸汽会导致电弧不稳,并且会产生气孔等缺陷。因此,需要找到其它的物质来代替锌。通过在裸钢板表面分别添加厚度均为0.1 mm的非晶箔带、铜粉、硅粉、FeCl3粉末以及 NaCl粉末,研究这些物质对铝-钢润湿行为及界面结构的影响。研究结果表明:非晶箔带对于铝-钢的最终润湿性无改善,并且非晶箔带虽然改变了界面微观结构并且在一定程度上细化了凝固金属的晶粒,然而界面金属间化合物层厚度仍然较厚;硅增加了熔体的流动性具有促进铝-钢润湿的作用,并且硅也增加了铁在铝合金熔体中的溶解量和溶解速率,进而形成了较多的脆性金属间化合物;铜对于铝-钢最终润湿性无影响,铜溶解于铝合金熔体中,与铝相互作用形成了脆硬的CuAl2相;NaCl起到焊剂的作用从而改善了铝-钢最终润湿性,同时 NaCl蒸发带走大部分热量,界面金属间化合物层厚度较薄;FeCl3则起到阻碍铝-钢润湿的作用。