6061铝合金与HSLA350钢TIG熔钎焊及工艺优化研究.pdf

中文摘要 摘 要 在经济快速发展的同时，全球变暖、雾霾等问题日益加剧。当前资源高效利 用，节能减排是缓解这些问题的重点。铝合金由于质量轻、比强度高、耐腐蚀性 优良等特点被广泛应用于汽车、航空航天等领域，而由于实际中使用的材料大多 数要同时满足结构性能与高的能效，铝/钢异种材料的焊接成为热点。本课题对6061 铝合金/HSLA350 钢的TIG 熔钎焊连接进行研究，采用高能喷丸技术对焊接接头进 行表面处理，研究了高能喷丸对焊缝显微组织与力学性能的影响；此外，超声波 振动技术和磁场被用来辅助铝/钢TIG 熔钎焊，并研究了其对焊接接头的影响。 以Al-Si12 焊丝作为填充材料，研究了焊接电流（40-80 A）、焊接速度（0.15-0.25 m/min ）对铝/钢 TIG 熔钎焊搭接接头的显微组织与力学性能的影响。在焊接速度 为0.2 m/min 条件下：当焊接电流为40 A 时，铝/钢界面未发生充分的冶金反应， 接头强度较差（120 MPa ）；焊接电流增加到60 A 时，焊缝强度最佳为170 MPa ， 此时接头界面处形成了4.4 µm 厚的金属间化合物（Al FeSi ）。焊接电流80 A 时也 3 获得结合性能良好的焊缝，但焊缝中形成了更大的晶粒，且在焊缝界面形成厚约 6.1 µm 的金属间化合物。在焊接电流为60 A 条件下：焊接速度为0.15 m/min 时， 焊接接头强度为165 MPa ，此时接头界面处形成了5 µm 厚的金属间化合物；焊接 速度过大时（0.15 m/min ），铝/钢界面处由于热输入不足未发生完全的冶金结合， 接头强度只有 118 MPa。这两组系列实验中可以得知6061 铝合金/HSLA350 钢的 最佳焊接参数为：焊接电流60 A、焊接速度为0.2 m/min 。 高能喷丸是一种提高材料强度有效且经济的处理方法。焊接接头表面变形层 的厚度随喷丸压力的增加而增加，喷丸压力为0.15 MPa 时，接头的强度最佳，为 199.6 MPa，较原始接头提升了约30 MPa 。接头表层形成了厚度约为240 µm 的变 形层，且在靠近接头上表层形成了晶粒细化区，晶粒尺寸约为11.5 µm。接头表层 的硬度为116 HV，约为原始焊缝表层硬度的1.48 倍。同时，接头中引入了残余压 应力，在接头表面处最大。由于焊缝表层晶粒细化强化和加工硬化，接头强度和 表面硬度显著提高。 超声波振动在改善金属熔池组织与性能方面具有独特优势。超声波振动功率 为0.8 kW 时，焊缝性能最佳，为191 MPa，比原始接头强度高约20 MPa 。辅助超 声波振动的焊缝中熔焊区发生晶粒细化与均匀化，晶粒尺寸为52 µm，较原始接头 晶粒尺寸明显减小。同时，Al-Si 共晶与 Al FeSi 析出相细化且弥散分布。此外， 3 与原始焊缝相比，位于接头熔合线区的粗大的柱状晶细化。最后，由于超声振动 引起的晶粒细化和弥散强化，焊缝接头的拉伸剪切强度明显提升。 I 重庆大学硕士学位论文 外加纵向磁场被用于改善铝/钢TIG 焊接接头。与原始接头相比，在磁场辅助 焊接下的焊接接头熔合区晶粒尺寸为71 µm，晶粒尺寸明显减小，分布于该区域的 Al FeSi 相细化且弥散分布，Al-Si 共晶的平均尺寸减小，分布也更加均匀；熔合线 3 区的柱状晶粒转变为等轴晶粒，与熔合区的微观组织特征相似，实现了熔合线区 向熔合区的平滑转变；焊接接头钎焊区金属间化合物层厚度由5 µm 减小至3.5 µm。 由于微观组织的细化与第二相弥散强化，焊缝熔合区硬度稍高于原始接头；铝/钢 焊接接头拉伸剪切强度为194.5 MPa，较原始接头提升了~ 14% 。 关键词：AA6061；HSLA 350 钢；TIG 熔钎焊；高能喷丸；超声波振动 II 英文摘要