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镁铝异种金属激光焊接的研究

摘要
镁合金和铝合金广泛应用于航空航天和汽车制造领域。由于镁和铝应用的广
泛性和交叉性，将镁和铝连接成复合结构是十分必要的。目前镁与铝异种金属的
有效连接方法主要是固相焊，如搅拌摩擦焊(FSW)与扩散焊，这些固相焊接方法
在应用中是有局限的。采用TIG焊、电子束焊以及电阻点焊等熔焊方法进行镁
与铝异种金属焊接时，焊缝内易形成金属间化合物，并由此引发脆性与凝固裂纹，
严重影响其焊接性。本文对AZ31B镁合金和6061铝合金进行了中心搭接焊、边
缘搭接焊和对接焊三种接头形式的异种激光焊接技术研究，旨在改善镁、铝异种
金属的焊接性，提高焊接接头的力学性能。
对AZ31B镁合金和6061铝合金异种金属激光焊接工艺参数的研究表明，
AZ31B镁合金和6061铝合金CO2激光的深熔焊接临界功率密度阈值高于
Nd:YAG激光。6061铝合金激光的深熔焊接临界功率密度阈值均高于AZ31B镁
合金。保护气体的种类、输送方式、流量均对焊接过程有很大影响。焊缝熔深和
熔宽随着激光功率的增大而增大，随着焊接速度的增大而减小。离焦量对焊缝熔
宽、熔深以及形貌都有很大影响。中心搭接焊焊缝内易出现凝固裂纹，通过减小
焊缝熔深可以得到没有裂纹的焊缝，但其接头强度很低。边缘搭接焊缝内没有裂
纹，在近镁侧焊缝的熔合线区域含有金属间化合物Al3Mg2和Al12Mg17。其余焊
缝组织由Al固溶体和弥散分布的金属间化合物Al3Mg2组成。在本试验条件下焊
制的镁、铝异种金属激光对接焊缝，在近镁侧焊缝的熔合线区域含有金属间化合
物Al3Mg2和Al12Mg17。其余焊缝组织由Mg固溶体、Al固溶体和弥散分布的金
属间化合物Al3Mg2构成。对接焊接接头抗拉强度为31.84MPa。边缘搭接焊接头
和对接焊接头均易断裂在含有Al12Mg17和Al3Mg2等金属间化合物的镁侧焊缝近
缝区。断裂机制为解理和混合脆性断裂。
关键词异种金属接头，激光焊接，镁合金，铝合金，金属间化合物Abstract
Abstract
Magnesium alloy and aluminum alloy are widely used in aircraft and automobile
industry.Because of their extensive and crossing application,it’s necessary to join
magnesium and aluminum alloys.The available joining methods are solid state
welding at present,such as friction stir welding and diffusion welding.However these
solid state welding methods are limited in application.When fusion welding methods
like TIG,electron beam and resistance spot welding etc.join magnesium and
aluminum alloys,intermetallic compounds(IMC)are formed in weld metal，which
results in brittleness and hot cracks,hence degrades the weldability.This thesis
involves an investigation of dissimilar metal laser welding between Magnesium alloy
AZ31B and aluminum alloy 6061,in lap and butt joint forms respectively.
The study on processing parameters of dissimilar material laser welding between
magnesium alloy AZ31B and aluminum alloy indicated that the critical laser power
density for deep penetration welding of AZ31B and 6061 with Slab CO2 laser is
higher than that of Nd:YAG laser.Critical laser power density for deep penetration
welding of 6061 is higher than AZ31B for both lasers.The kind delivery and flow rate
of shield gas influenced the welding process.The depth and width of weld increased
with laser power increasing and decreased with welding speed increasing.Focus
distance affected the depth,width and shape of welds greatly.
It’s difficult to avoid solidification cracks in center-line welded joint.Joint
without cracks can be obtained by decreasing weld depth,but the strength of this kind
of joint is low.There were no cracks in edge-line welded joint.It was observed that
fusion line zone near Mg base metal is composed of IMC Al3Mg2 and Al12Mg17,the
weld was mainly composed of Al solid solution and dispersed IMC Al3Mg2.
Dissimilar metal butt joint was welded in the experimental conditions.There were no
cracks in butt welded joint of AZ31B and 6061,too.Fusion line zone near Mg base
metal was composed of IMC Al3Mg2 and Al12Mg17,while the weld was composed of
Al solid solution,Mg solid solution and dispersed IMC Al3Mg2.The maximum tensile
strength obtained is 31.84MPa.Rupture of edge-line welded joint and butt welded
joint occurred in fusion line zone near Mg base metal,showing a combined cleavage
and integrated fracture mode.大学工学硕士学位论文
Key words dissimilar metal joint，laser welding，magnesium alloy,aluminum alloy,
intermetallic compound(IMC)目录
目录
摘要..............................................................I
Abstract.........................................................III
第1章绪论.....................................................1
1.1镁合金在汽车工业的应用......................................1
1.2镁、铝异种金属焊接..........................................4
1.2.1异种金属焊接...........................................4
1.2.2镁、铝异种金属的焊接特点和焊接方法.....................5
1.2.3激光焊接技术的优点.....................................6
1.3镁、铝异种金属激光焊接的相关研究............................7
1.4本课题研究目的与主要内容....................................9
第2章试验材料与方法............................................11
2.1试验材料....................................................11
2.2激光焊接试验系统...........................................12
2.3激光焊接试验方法...........................................13
2.4焊接接头组织表征与力学性能试验.............................14
第3章镁、铝激光深熔焊接功率密度阈值.............................19
3.1 CO
2
激光器功率密度阈值......................................19
3.2 Nd:YAG激光器功率密度阈值...................................21
3.3本章小结...................................................23
第4章镁、铝异种金属激光搭接焊..................................25
4.1保护气对焊接过程的影响.....................................25
4.2激光焊接参数对焊缝形貌的影响...............................26
4.2.1激光功率与离焦量......................................27
4.2.2焊接速度..............................................29
4.3搭接焊接头显微组织与性能...................................30
4.3.1中心搭接焊接头显微组织与性能..........................30
4.3.2边缘搭接焊接头显微组织与性能..........................33
4.4边缘搭接焊接头焊缝区XRD物相分析...........................38
4.5搭接焊接头断口分析.........................................38
4.6本章小结...................................................41
第5章镁、铝异种金属激光对接焊...................................43
5.1激光焊接参数对焊缝形貌的影响...............................43
5.2对接焊接头显微组织.........................................43
5.3对接焊接头显微硬度.........................................46
5.4对接焊焊缝区XRD物相分析...................................47
5.5对接焊接头拉伸性能与断口分析...............................48
5.6本章小结...................................................50
结论.............................................................53
进一步研究建议....................................................55大学工学硕士学位论文
参考文献..........................................................57
攻读硕士学位期间发表的学术论文....................................59
致谢.............................................................61

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