[00133985]铝/钢激光-TIG电弧复合对接熔钎焊连接机理研究

1、课题来源与背景; 铝和钢异种金属之间的连接是目前焊接领域的研究热点。当要焊接的两种金属物理、化学性能相差较大,且互溶性很低时,极容易产生大量脆硬性金属间化合物,从而严重降低了异种金属焊接接头的力学性能。如何实现它们的优质高效连接成为制约铝/钢异种金属复合结构在工程中推广应用的最大技术瓶颈。复合热源焊接技术是近年来发展起来的新型焊接技术,激光－电弧复合热源焊接具有焊缝成形美观、焊接速度高、焊接缝隙桥接能力强和焊接过程比较稳定等优点,所以在异种材料的焊接中得到了很好的应用。因此,研究铝/钢异种金属复合熔钎焊关键技术问题和基础科学问题,获得铝/钢异种金属复合熔钎焊高质量接头的关键技术,具有重要理论意义和应用价值。 2、研究目的与意义 由于铝/钢两者之间的固溶度较低、热物理性能差异较大,在铝/钢熔焊时,熔化的铝与钢极易反应生成脆性的金属间化合物,这种金属间化合物降低了接头的力学性能,对焊接质量具有决定性的影响。除了金属间化合物,铝/钢连接的另一问题是熔化的铝在钢表面的润湿铺展性能差,尤其是在铝/钢对接焊时,液态金属在镀锌钢背面的铺展性能不好。 本课题针对铝/钢异种金属的对接焊,采用激光-TIG电弧复合焊接方法,激光作为主要热源,使铝母材和金属粉末熔化的主要能量来源于激光,电弧的热效应是辅助性的,电弧用来增加液态金属在钢背面的铺展性,从而增加钎焊界面的连接宽度。在试验的过程中,两热源之间存在一定的距离,两热源之间采用专门的夹具连接,实现同步移动。通过试验和数值模拟相结合的方法,得到力学性能良好的对接接头。 研究目标如下： 1)提供铝/钢异种金属复合熔钎焊的最优工艺参数及关键技术; 2)得到铝/钢激光-TIG电弧熔钎焊过程中温度场的分布特点; 3)得到控制铝/钢激光-TIG电弧熔钎焊接头残余应力,变形的方法。 3、主要论点与论据 本试验系统是由GS-TFL-10KCO2高频率横流CO2激光器和松下tsp300 TIG焊机组成的电弧辅助激光焊接系统,能够方便的调节各焊接参数,并实现激光与电弧的协同效应。激光器与TIG电焊机之间设计专用夹具连接,试验中采用激光在前,TIG电弧在后的辅助方式, 激光束轴线与钨极尖端之间的水平距离定义为热源间距。激光束垂直入射到铝板和钢板的对接焊缝上,焊枪倾角60°,焊接过程中采用氩气对焊缝的正面、背面以及TIG 焊枪进行三重保护,气体流量10 L/min。TIG焊机采用高频脉冲起弧方式,起弧之后,迅速将焊接电流值调小到焊接参数范围之内。TIG电弧辅助焊接优化的工艺参数为：激光功率1.2 kW,焊接速度10 mm/s,离焦量0 mm,热源间距15 mm,焊接电流15 A,电压14 V,电弧弧长3 mm。 在焊接速度和离焦量保持不变,单激光焊接方法下,当激光功率为1 kW和1.2 kW时平均抗拉强度分别为95 MPa与106 MPa,而通过辅助TIG电弧,接头的力学性能显著增加,平均抗拉强度分别达到138 MPa 和151 MPa。接头最大抗拉强度可达163MPa。 4、创见与创新; 创新点 1)采用TIG电弧辅助激光热源,增强液态金属的流动,增加钎焊界面的连接宽度,从而增强液态金属的浸润铺展性能; 2)对所构建的试验系统及焊接过程,采用试验测试和数值模拟的方法,计算温度场、残余应力及变形规律。 5、社会经济效益,存在的问题; 由于能源问题和车辆尾气排放问题的日益严重,汽车轻量化得到世界各国越来越多的重视,铝钢复合构件成为汽车轻量化的首选方案,铝钢复合构件的使用可以节约燃料,降低车身重量。再增加了铝材的使用量后,汽车的燃油消耗下降,排放随之减少,汽车使用寿命延长,使用性能显著提高。 6、历年获奖情况; 暂时未获得任何奖项。