超高强钢铝合金异种金属等离子弧焊的研究

超高强钢/铝合金异种金属等离子弧焊的研究汽车轻量化已成为节约能源、降低排放、减少污染的主要选择对策。增加超高强钢、铝合金等轻质材料的使用量是实现汽车轻量化的有效技术措施。由于钢和铝在物理、化学性质及晶体结构上存在显著的差异且Fe和Al之间的固溶度极低,导致钢/铝焊接接头极易形成大量脆性的Fe-Al金属间化合物,严重恶化了焊接性及接头的力学性能,这已成为制约汽车轻量化技术发展的关键科学技术问题之一。因此,开展超高强钢/铝合金异种金属等离子弧焊的研究具有重要实用价值和理论意义。本文主要研究了DP1180超高强钢/5A06铝合金等离子弧焊接头的微观组织及力学行为特点,焊接工艺因素对钢/铝接头微观组织及力学性能的影响规律。研究结果表明,超高强钢/铝合金等离子弧焊接头具有典型的熔-钎焊接头特征,接头主要由熔合区、焊缝区和界面区组成。熔合区结合良好，无未熔合、裂纹等焊接缺陷。焊缝区主要为a-Al固溶体，由于成分过冷度的变化，从熔合线到焊缝中部a-Al经历了胞状晶、胞状树枝晶、树枝晶的变化过程。焊接过程中发生Fe、Al原子的互扩散,在界面区形成脆性的Fe-Al金属间化合物（IMC）层，靠近钢母材为舌状的Fe2Al5;靠近铝焊缝为针状的Fe4Al13。钢/铝接头的显微硬度分布极不均匀,由于界面区主要由Fe2Al5、Fe4Al13组成,其显微硬度值最高。在拉伸应力作用下,接头脆性断裂均发生在界面区。因此,界面区是钢/铝等离子弧焊接头最薄弱的区域。根据试马结果，本文研究探讨了界面IMC生长机制。焊接工艺因素对钢/铝接头的焊缝成形、微观组织和力学性能具有明显的影响。钢母材坡口角度45、铝母材坡口角度0有利于改善焊缝成形。使用Al-Si焊丝条件下，随着焊接电流增加，界面IMC层厚度和接头抗拉强度增加；焊接电流90A时接头强度达到最大值（62MPa）;进一步增加焊接电流,由于焊接线能量过大导致界面区产生裂纹,使接头强度明显降低。随着焊接速度增加，IMC层厚度减小，接头强度增加，焊接速度320mm/min时接头强度达到最大值,进一步增加焊接速度,由于焊接线能量减小界面区产生未熔合缺陷，使接头强度降低。在本试验条件下，焊接线能量2227J/cm（焊接电流90A、焊接速度320mm/miij时有利于改善钢/铝接头的微观组织及力学性能。与使用Al-Si焊丝相比，使用Al-Cu焊丝可减小界面IMC层厚度、界面区硬度和产生裂纹的敏感性,因此明显提高钢/铝接头的抗拉强度（118MPa）。这主要与Cu阻碍界面Fe-Al金属间化合物生长和界面层改性有关。在焊接过程中,随着Fe2Al5、Fe4v/subAl13v/sub的形核长大,Cu原子会沉积在已形成的IMC晶粒表面阻碍Fe、Al原子的互扩散和Fe4Al13的小平面择优生长，使界面层厚度减小。由于Cu与Fe的原子结构类似，在界面反应过程中Cu原子置换Fevsub2v/subAlvsub5v/sub、Fe4v/subAl13v/sub中的部分Fe原子生成（Fe,Cu）vsub2v/subAlvsub5v/sub和（Fe,Cu）vsub4v/subAlvsub13v/sub,改善了IMC层的综合力学性能及裂纹敏感性，因此明显提高了钢/铝接头的力学性能。基于本文研究结果,在钢母材坡口角度45和铝母材坡口角度0;使用Al-Cu焊丝；焊接线能量2227J/cm条件下，有利于改善超高强钢/铝合金等离子弧焊接头的焊缝成形,提高接头的力学性能。