畢業(yè)論文：鍍鋅鋼板與鋁板的激光氬弧焊焊接工藝

鍍鋅鋼板與鋁板的激光氬弧焊焊接工藝

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摘要：
一種基于鍍鋅鋼板與鋁板的焊接新方法發(fā)展起來了，其中涉及了固態(tài)鋼與液態(tài)鋁之間的反應(yīng)，該方法采用激光氬弧焊焊接工藝。采用激光工藝測試了鋁直接熔化的策略，而采用氬弧焊工藝通過鋼加熱和鋼傳熱實現(xiàn)了鋁誘導(dǎo)熔化。反應(yīng)過程中生成的接口主要形成了2-40um厚的金屬間化合物反應(yīng)層。由激光和氬弧焊工藝得到的組件線性強(qiáng)度分別高達(dá)250 N/mm、190 N/mm。相應(yīng)的缺陷分別位于鋁的熔合區(qū)（激光組件）或位于反應(yīng)層中（氬弧焊組件）。
1、引言
為了迎合反污染的新標(biāo)準(zhǔn)，在未來幾年內(nèi)汽車行業(yè)旨在降低燃料消耗。這個目標(biāo)可以通過減輕車重達(dá)到，這就是為什么時下高強(qiáng)度鋼和諸如鋁合金或鎂合金等輕合金使用的幾種方法正在研究中。鋼鐵和輕合金用于制造汽車，這意味著諸如鋼鐵與鋁合金或鋼鐵與鎂合金等不同材料的加入。鋼鋁熔化焊是一項技術(shù)難題，因為兩種材料的
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可分為擴(kuò)散控制和Fe2Al3相接近的輕微凝固鋁。最近，學(xué)者們也在考慮固態(tài)鐵與液態(tài)鋁合金流動動力學(xué)對界面反應(yīng)的影響。
目前工作的主要目的是為了實現(xiàn)鍍鋅鋼板和鋁合金間的組合，采用兩種工藝、兩種配置和以下兩種不同的加熱策略：通過鋼加熱和熱擴(kuò)散誘導(dǎo)鋁熔化或直接使鋁熔化，用或不用（釬焊）焊劑。激光實驗研究了有或沒有（釬焊）焊劑直接熔融的一套配置，在氬弧焊工藝中，鋁在一個重疊的配置中通過鋼加熱和熱擴(kuò)散誘導(dǎo)而熔化的。通過冶金和機(jī)械手段對所有的鋼鋁組件進(jìn)行了側(cè)重于界面層的分析。
2、材料
這些研究的材料：目前用于汽車工業(yè)的是歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN10130所定義的DC04低碳鋼、6016-T4鋁合金。他們的化學(xué)成分、力學(xué)性能分別列入了表格1、2中。1.2mm厚的DC04鋼板上鍍有20um厚含0.2%鋁的鋅層，采用1mm厚的鋁板。
Nocolok的防腐釬焊劑，在裝配已得到了普遍用于，它可以消除鋁和鋼的氧化物。這種鋁氟化鉀通常用做鋁合金焊劑，其熔化溫度為565度到572度之間，其恰好在鋁熔化之前熔化。然后，它溶解鋁氧化物，使固態(tài)鋼和鋁液直接接觸，防止鋁液的氧化。


3、實驗過程
3.1、激光實驗
組裝前鋁板采用800級的砂紙打磨，丙酮酸脫脂，鍍鋅鋼板只需脫脂。
文獻(xiàn)17中提到的非鍍鋅鋼板必須使用防腐（釬焊）焊劑，才可以把熔融的鋁液潤濕到固態(tài)鋼上。另一方面，不需使用焊劑的鋼材[15、16]要求確保鍍鋅鋼板潤濕，因為鐵、鋁及鋅間的冶金兼容性好。然而，為了揭示焊劑在組件上的影響，進(jìn)行了有或沒有焊劑的激光實驗。在這種情況下，焊劑（焊劑粉末溶解在乙醇中）噴涂在鋼鐵表面并在組裝前弄干，以獲得大約10-50微米的平均厚度。
在一套設(shè)備（圖1A）上對一樣板進(jìn)行了，該樣板長為120mm、寬為90mm，用到的激光為釹YAG連續(xù)波，其掃描速度介于0.6-1.4米/分，激光功率為3KW。操作時用200毫米的焦鏡，成30度照射角度形成2.3*1.8毫米的橢圓點。激光用于散焦條件下，其強(qiáng)度為70-90kw/cm2.
所有的激光測試都是在一個水平位置上進(jìn)行的，以提高鋁在重力的作用在鋼板上擴(kuò)散。激光束定向于上面的鋁板，加熱表面通過氬氣保護(hù)防止被氧化，氬氣流量為10L/Min,焊接情況歸納與表3.

3.2 氬弧焊實驗
200毫米長，60毫米厚的鋁板和鋼板用丙酮脫脂。裝配前焊劑沉積于板材表面。在一臺重疊設(shè)備（圖1B）進(jìn)行焊接測試，弧焊機(jī)調(diào)到直流負(fù)極檔。3.2毫米直徑的鎢電極打磨成30度斜角使用。電極總位于鋼板一側(cè)，這樣，通過鋼加熱熱和熱擴(kuò)散使接口的鋁熔化。實驗中弧長為1.5mm，電流強(qiáng)度介于70A與80A之間，焊接速度控制在0.08-0.14m/min(表格3)。
3.3 冶金與機(jī)械性能
在120毫米長的激光組件和200毫米長的氬弧焊組件中，刨開組件觀察宏觀與微觀橫截面，然后依次用220、800、1200級別的砂紙拋光，其次是用3um、1um的石墨拋光劑，最后用SIO2拋光劑磨成鏡面般的表面。
用凱勒試劑腐蝕鋁試樣得出其顯微結(jié)構(gòu)，用硝酸酒精腐蝕鋼鐵試樣。然后使用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能量色散譜儀和電子探針研究接頭的微觀結(jié)構(gòu)。
在橫街面上也進(jìn)行硬度和壓痕測試以估計受影響的區(qū)域和接頭的局部力學(xué)性能。
三個拉伸試驗的樣本是由符合各自試驗條件的組件機(jī)加工而得。激光組件的試樣長120mm，寬20mm，氬弧焊組件試樣長為60mm寬為20mm。拉伸試驗以1mm/min的恒定速度垂直于連接線（圖10和11）方向進(jìn)行。試驗失敗后，用掃描電鏡觀察試樣斷裂部分并分析裂紋路徑，通過圖像分析對端口進(jìn)行評價。


4 實驗結(jié)果
4.1 bead aspect
4.1.1激光組件
鋁的直接激光照射，用于實驗的設(shè)備及水平的位置允許鋁在鋼板上熔化、擴(kuò)散。接頭由固態(tài)鋼與液態(tài)鋁相互作用而生成的金屬間化合物層而形成（反應(yīng)潤濕）。
根據(jù)激光速度和裝配前是否使用釬焊劑可以得到截然不同的潤濕角（圖2和圖3）。沒有焊劑的組件上，激光速度可從0.6m/min增加到1.4m/min，潤濕角可從22度增加到 ……（未完，全文共4376字，當(dāng)前僅顯示2210字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：鍍鋅鋼板與鋁板的激光氬弧焊焊接工藝》）