论文部分内容阅读
采用异种金属复合结构是轻量化设计最有效的方法之一，但是因为极易形成脆性金属间化合物(Intermetallic compounds, IMCs)，绝大多数异种金属难以在现有工艺下实现高质量、高效率的有效焊接。通常来说，熔焊效率高，但熔池反应剧烈，造成界面生长过程可控性差、工艺窗口极窄、工业应用困难；固相连接质量可控，但效率低下、环境要求苛刻、适用面过小。为此，本文以需求量大且存在相当难度的Al/Fe对接和Al/Mg搭接焊缝为对象，系统开展了异种金属扫描激光-电弧复合焊接研究，揭示了光束扫描行为对焊缝界面生长和组织性能的影响规律。主要研究结果如下：
研究了Al/Fe扫描激光-电弧复合对接焊缝的形貌特征，发现光束扫描能够抑制根部Fe侧成形不均、局部未熔合等润湿不良缺陷，避免界面区域Fe基材顶部和底部的过量熔化，进而改善了焊缝和界面的宏观均匀性。在给定参数下，扫描复合焊接获得良好焊缝成形的激光功率窗口可增加到800W，是无扫描复合焊接的2.7倍。基于焊缝截面的Fe元素分布特征研究了焊缝的整体均匀性，发现光束扫描可将焊缝熔合区上、下两部分的Fe元素平均含量的相差百分比由无扫描复合焊缝的132%减少至5%，意味着焊缝整体均质化程度增加了约25倍。分析认为光束扫描驱动的熔池搅拌效应能够通过拓宽熔池下部并增强该区域的熔池流动和热量传输，有效避免热量和溶质在局部区域的偏聚现象，从而改善焊缝成形，并提高整体均匀性。
随着工艺参数的优化，Al/Fe扫描复合焊缝界面逐渐由厚薄不均的Al5Fe2和Al13Fe4双层结构转变为≤1.8μm的薄且均匀的Al5Fe2单层结构。针对Al/Fe焊缝界面IMCs层沿板厚在物相、厚度和形貌存在明显不均匀，但现有文献通常仅讨论界面特定区域而存在片面性的现象，本文提出以界面IMCs层上/中/下三部分的厚度分布方差(δ)来定量表征异种金属焊缝界面均质化程度的新方法：δ值越小，界面均质化程度越高。计算结果表明，现有文献报道的Al/Fe无扫描复合焊缝δ值最小为0.0289，但是扫描复合焊缝δ值最小可达0.0022，意味着光束扫描行为可以将界面均质化程度提高约12倍。
基于热力学计算和热源相互作用分析，探讨了光束扫描行为对Al/Fe复合焊缝界面生长的影响机理及其均质化原理。首先，激光束在大范围的定向扫描能进一步增强激光-电弧相互作用，避免热量在Fe侧的聚集，从而减少或抑制Fe母材的熔化，降低界面和熔池内的Fe浓度。其次，激光小孔在熔池内的搅拌能够扩大界面上、下熔流的过渡角，促进由上而下的热/质传输，并形成局部湍流来减薄界面Fe熔体，降低Fe元素含量及其在局部区域的浓度起伏。由此，扫描复合焊缝界面生长过程和均质化原理可以描述为：Gibbs自由能最小的Al5Fe2首先达到热力学条件并在界面优先形成，阻碍了Fe原子向熔池的继续溶解；与此同时，光束扫描诱发的均匀化使得界面Fe浓度得到稀释，而难以达到过饱和，从而既延缓了Al5Fe2层的快速生长，也抑制了Al13Fe4的析出，最终利于获得薄的Al5Fe2单层界面。
建立了Al/Fe焊缝抗拉强度(UTS)和界面层厚度均匀性(δ)、厚度(τ)、物相组成的定量关系，可根据δ值分为如下两大类。第一，当δ≤0.1156时，界面层为均匀的Al5Fe2单层结构，焊缝UTS决定于τ：①当0.9μm≤τ≤1.8μm时，UTS≥130MPa；②当1.8μm<τ<3.2μm时，UTS≤110MPa。第二，当δ>0.1156时，界面为不均匀的双层IMCs结构，使得UTS<100MPa。另外，因为界面均质化程度的提高，Al/Fe扫描复合焊缝的抗拉强度和抗纵向弯曲角度最大可增加至160MPa和90o，分别比无扫描复合焊缝提升65%和96%。Al/Fe扫描复合焊缝力学性能的增强机理主要表现为三点：首先，单层IMC界面避免了双层IMCs界面之间的不均匀混合断裂，以及Al5Fe2过厚造成的脆性穿晶断裂；其次，Fe原子和Al5Fe2晶格失配诱导的相界位错塞积能够在界面形成局部强化；再者，Fe基体和Al5Fe2层间形成的波浪状界面可以增加界面有效连接长度，并通过凸起的Fe基体对界面塑性增韧，阻碍裂纹的萌生和扩展。
研究了Al/Mg扫描激光-电弧复合搭接焊缝界面特征(基于Ti中间层)，及其均质化机理。发现在优化的扫描频率范围内(60~120Hz)，Ti中间层在界面能够充分熔化并通过优先形成Gibbs自由能最小的Al3Ti，大量消耗界面区域的Al熔体，有效阻隔Al、Mg的直接接触，从而避免了脆性Al3Mg2和Al12Mg17的生成，形成强度更高的Al3Ti界面层。当f=90Hz时，Al/Mg扫描复合焊缝抗剪切力增加至3.3kN(试样宽度15mm)，比现有文献报道的激光焊缝最大值增加约83%。Al/Mg扫描复合焊缝剪切性能的增强主要取决于两个因素：第一，光束扫描行为使得界面处的激光能量分布更均匀，避免了Ti中间层因受热不匀而造成的局部未反应或过反应现象；第二，光束扫描拓宽了熔化范围，增加了界面层在横截面上的有效连接宽度，增大了界面区域的承载面积，从而提升了焊缝剪切性能。
研究了Al/Fe扫描激光-电弧复合对接焊缝的形貌特征，发现光束扫描能够抑制根部Fe侧成形不均、局部未熔合等润湿不良缺陷，避免界面区域Fe基材顶部和底部的过量熔化，进而改善了焊缝和界面的宏观均匀性。在给定参数下，扫描复合焊接获得良好焊缝成形的激光功率窗口可增加到800W，是无扫描复合焊接的2.7倍。基于焊缝截面的Fe元素分布特征研究了焊缝的整体均匀性，发现光束扫描可将焊缝熔合区上、下两部分的Fe元素平均含量的相差百分比由无扫描复合焊缝的132%减少至5%，意味着焊缝整体均质化程度增加了约25倍。分析认为光束扫描驱动的熔池搅拌效应能够通过拓宽熔池下部并增强该区域的熔池流动和热量传输，有效避免热量和溶质在局部区域的偏聚现象，从而改善焊缝成形，并提高整体均匀性。
随着工艺参数的优化，Al/Fe扫描复合焊缝界面逐渐由厚薄不均的Al5Fe2和Al13Fe4双层结构转变为≤1.8μm的薄且均匀的Al5Fe2单层结构。针对Al/Fe焊缝界面IMCs层沿板厚在物相、厚度和形貌存在明显不均匀，但现有文献通常仅讨论界面特定区域而存在片面性的现象，本文提出以界面IMCs层上/中/下三部分的厚度分布方差(δ)来定量表征异种金属焊缝界面均质化程度的新方法：δ值越小，界面均质化程度越高。计算结果表明，现有文献报道的Al/Fe无扫描复合焊缝δ值最小为0.0289，但是扫描复合焊缝δ值最小可达0.0022，意味着光束扫描行为可以将界面均质化程度提高约12倍。
基于热力学计算和热源相互作用分析，探讨了光束扫描行为对Al/Fe复合焊缝界面生长的影响机理及其均质化原理。首先，激光束在大范围的定向扫描能进一步增强激光-电弧相互作用，避免热量在Fe侧的聚集，从而减少或抑制Fe母材的熔化，降低界面和熔池内的Fe浓度。其次，激光小孔在熔池内的搅拌能够扩大界面上、下熔流的过渡角，促进由上而下的热/质传输，并形成局部湍流来减薄界面Fe熔体，降低Fe元素含量及其在局部区域的浓度起伏。由此，扫描复合焊缝界面生长过程和均质化原理可以描述为：Gibbs自由能最小的Al5Fe2首先达到热力学条件并在界面优先形成，阻碍了Fe原子向熔池的继续溶解；与此同时，光束扫描诱发的均匀化使得界面Fe浓度得到稀释，而难以达到过饱和，从而既延缓了Al5Fe2层的快速生长，也抑制了Al13Fe4的析出，最终利于获得薄的Al5Fe2单层界面。
建立了Al/Fe焊缝抗拉强度(UTS)和界面层厚度均匀性(δ)、厚度(τ)、物相组成的定量关系，可根据δ值分为如下两大类。第一，当δ≤0.1156时，界面层为均匀的Al5Fe2单层结构，焊缝UTS决定于τ：①当0.9μm≤τ≤1.8μm时，UTS≥130MPa；②当1.8μm<τ<3.2μm时，UTS≤110MPa。第二，当δ>0.1156时，界面为不均匀的双层IMCs结构，使得UTS<100MPa。另外，因为界面均质化程度的提高，Al/Fe扫描复合焊缝的抗拉强度和抗纵向弯曲角度最大可增加至160MPa和90o，分别比无扫描复合焊缝提升65%和96%。Al/Fe扫描复合焊缝力学性能的增强机理主要表现为三点：首先，单层IMC界面避免了双层IMCs界面之间的不均匀混合断裂，以及Al5Fe2过厚造成的脆性穿晶断裂；其次，Fe原子和Al5Fe2晶格失配诱导的相界位错塞积能够在界面形成局部强化；再者，Fe基体和Al5Fe2层间形成的波浪状界面可以增加界面有效连接长度，并通过凸起的Fe基体对界面塑性增韧，阻碍裂纹的萌生和扩展。
研究了Al/Mg扫描激光-电弧复合搭接焊缝界面特征(基于Ti中间层)，及其均质化机理。发现在优化的扫描频率范围内(60~120Hz)，Ti中间层在界面能够充分熔化并通过优先形成Gibbs自由能最小的Al3Ti，大量消耗界面区域的Al熔体，有效阻隔Al、Mg的直接接触，从而避免了脆性Al3Mg2和Al12Mg17的生成，形成强度更高的Al3Ti界面层。当f=90Hz时，Al/Mg扫描复合焊缝抗剪切力增加至3.3kN(试样宽度15mm)，比现有文献报道的激光焊缝最大值增加约83%。Al/Mg扫描复合焊缝剪切性能的增强主要取决于两个因素：第一，光束扫描行为使得界面处的激光能量分布更均匀，避免了Ti中间层因受热不匀而造成的局部未反应或过反应现象；第二，光束扫描拓宽了熔化范围，增加了界面层在横截面上的有效连接宽度，增大了界面区域的承载面积，从而提升了焊缝剪切性能。