铝钢异种材料激光搭接焊接头组织与性能研究

采用连续光纤激光对铝/钢异种材料进行激光搭接深熔焊，研究接头的显微组织、元素分布、界面析出相及其失效机理。结果表明，焊缝凝固过程中界面处形成岛状、块状及层状Fe-Al化合物，它们较大的硬度与脆性导致材料自身具有较低的塑韧性。焊缝中裂纹的形成原因主要是界面脆性Fe-Al化合物的连续或集中分布，降低了材料自身的变形能力。接头的断裂模式属于脆性断裂，接头的失效主要是由于界面处Fe-Al脆性化合物导致的。     

添加Sn-5%Zr粉末对激光焊接钢/铝显微组织和性能影响

对1.4 mm厚的DP590双相钢和1.2 mm厚的6016铝合金平板试件进行添加Sn-5%Zr(质量分数,下同)粉末的激光搭接焊试验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、背散射电子衍射技术(EBSD)和微机控制的电子万能试验机等研究了添加Sn-5%Zr粉末对焊缝微观形貌、焊接区域金相组织、断口形貌、主要物相、相的分布及含量、晶粒大小与接头力学性能的影响,采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了添加Sn-5%Zr粉末后新形成物相Fe Sn、Fe3Sn和Fe3Al、Fe Al、Fe2Al5等Fe-Al金属间化合物的模量。结果表明,添加Sn-5%Zr粉末钢/铝接头平均剪切强度为37.90 MPa,与未添加粉末相比,剪切强度提高,新形成Zr Al3化合物细化了钢/铝界面Fe-Al金属间化合物的晶粒尺寸,Sn抑制Al向焊缝熔池内扩散,减少Fe-Al金属间化合物层厚度,新形成物相Fe Sn,Fe3Sn具有较好的延性,Sn-5%Zr粉末改变了界面层Fe-Al金属间化合物脆性相与延性相的比例,添加粉末增加焊缝熔宽,提高焊合率,因而添加Sn-5%Zr粉末改善了焊接接头的力学性能。     

基于Ni中间层的铝合金与高强钢激光诱导TIG复合焊接

提出了加入Ni中间层的6061铝合金与DP980高强钢搭接接头激光诱导电弧复合连接技术,采用该技术实现了6061铝合金与DP980高强钢的良好连接。分析了Ni中间层对搭接接头力学性能、微观组织的影响,并分析了Ni中间层在焊接过程中的作用。使用光学显微镜、扫描电镜、电子探针、X射线衍射仪等对典型焊接接头的显微组织、元素分布进行分析。结果表明:在铝合金与高强钢之间加入Ni中间层,能有效阻止Fe元素向铝合金基体中扩散,并改变了6061/DP980界面金属间化合物的种类及分布,金属间化合物的厚度明显减小,金属间化合物主要由FeAl_3和Fe_2Al_5组成,Ni元素也发生扩散,并主要以Al-Ni化合物及Fe(Ni)固溶体的形式存在于焊缝中。添加Ni中间层焊接接头的剪切拉伸载荷可达到173 N/mm,比未添加Ni中间层的接头提高了约35%。     

钢/铝异种金属预置Si粉的光纤激光焊接

Fe/Al难熔合、易生成Fe-Al脆性金属间化合物是钢/铝异种金属优质高效焊接亟待解决的技术难题。对厚度分别为5mm、6mm的低碳钢和铝合金板进行了对接处开设坡口、并在界面结合处预置Si粉的光纤激光焊接实验研究,通过调整焊接工艺参数和预置粉末得到成形良好的焊缝。利用卧式金相显微镜、电子显微硬度仪、扫描电镜、X射线衍射仪等设备对焊缝及母材区进行了观察与检测。结果发现:在激光功率为1.8～2.0kW,焊接速度8～10mm/s,离焦量-2.0mm,Ar为保护气体且流量为15L/min,光斑偏向钢侧距界面结合处0.2mm的工艺条件下,激光焊接钢/铝异种板材,可实现钢/铝熔合,焊接类型为热传导焊,焊缝区域晶粒细小,硬度高于两侧热影响区及母材,钢/铝结合界面分界线明显,界面处熔化金属互相扩散嵌入母材,呈齿轮式"啮合"态连接在一起。对钢/铝实施热传导焊,可有效控制熔池中Fe、Al熔化量;预置Si粉改善了焊池熔化态下的流动性,熔化金属易于在结合界面铺展,钢/铝焊缝区形成了结构稳定的Al9Si、Fe0.9Si0.1化合物,抑制了Fe-Al脆性金属间化合物的生成。     

钛/铝激光焊接的微观组织及力学性能

采用3 kW光纤激光偏置铝侧焊接的方式,完成了TC4钛合金和6082铝合金的连接。测试了接头的宏微观组织及力学性能特征,通过有限元方法对接头的温度场分布及钛/铝结合界面的热循环曲线进行了模拟。研究结果表明,钛/铝激光偏置焊接可获得无裂纹、无气孔,具有良好拉伸强度的接头,钛试板在焊接过程中发生部分熔化,端面变得不平整。在凝固过程中,钛/铝结合界面会形成一个厚度较薄的钛/铝金属间化合物层,其主要相为TiAl_3。拉伸试验表明,接头的最高抗拉强度为153 MPa,是铝基材强度的72.9%;接头的断裂模式为脆性解理断裂,断裂发生在金属间化合物层位置,引起断裂的脆性相为TiAl和TiAl_3。     

焊接与连接工艺、键合工艺

0622978粘接界面的损伤研究[刊,中]/张军//郑州大学学报(工学版)．—2006,27(2)．—48-51(L) 0622979时效处理对Sn57Bi0．5Ag/Cu钎焊接头组织及性能的影响[刊,中]/秦长江//河南科技大学学报(自然科学版)．—2006,27(3)．—5-7,11(L)研究了Sn57Bi0．5Ag/Cu钎焊接头在70℃、100℃时效过程中的显微组织和剪切强度的变化。结果表明：在钎料和Cu基体的界面间存在金属间化合物,随时效时间的延长,界面金属间化合物层的厚度增厚,接头区的组织出现了粗化；脆性的金属间化合物是钎焊     

基于铜合金中间层的钛合金与不锈钢激光-电弧复合热源焊接研究

运用激光-电弧复合热源焊接方法,通过添加Cu-Zn中间层实现了TC4钛合金与304不锈钢的良好焊接,并对搭接接头横截面形貌、微观组织、相成分、力学性能及断裂位置进行了分析。结果表明,钛合金与不锈钢复合焊接接头过渡区组织成分主要包括Ti-Cu金属间化合物、铜基固溶体及Fe-Cu共析混合物。随着激光功率的增加,在钛-铜界面一侧,生成的Ti-Cu金属间化合物厚度逐渐增大,对接头性能产生不良影响,激光功率较大时断裂发生在钛-铜界面处。在铜-不锈钢界面一侧,Cu和Fe元素互扩散的深度和密度随激光功率的增大逐渐增加,有利于提高接头性能,激光功率较小时断裂发生在铜-不锈钢界面处。实现钛合金与不锈钢的良好焊接的关键在于Ti-Cu金属间化合物与Fe-Cu共析混合物的协调控制。     

铝-钢异种金属激光熔钎焊工艺研究

为了实现高强度铝-钢钎焊接头，以车用08Al钢和铝合金为试验对象，以填粉方式选用纯铝粉末作为钎料，进行了异种金属激光熔钎焊接试验研究。综合能量散射光谱能谱分析和X射线荧光衍射物相分析，接头界面处的金属间化合物主要有FeAl，Fe₂Al₅和Fe₄Al₁₃。研究了添加钎剂对接头整体成形及激光偏移量对接头形貌和力学性能的影响。结果表明，钎剂的添加改善了接头成形缺陷，提高了焊趾区的润湿性；当激光偏移量为0.8mm~1.6mm时，形成了有效的熔焊接头，且随着激光偏移量的增加，接头润湿角由35°增加到54°，反应层的金属间化合物厚度逐渐减小，抗拉性能呈先提高后降低的趋势；在激光偏移量为0.8mm时，接头润湿角为38°，反应层金属间化合物厚度8μm，平均机械抗力达到210N/mm，具有较高的工程应用价值；焊缝润湿角、连接宽度和反应层金属间化合物厚度共同决定了接头的机械抗力水平。该研究对于保证车身激光焊接质量提供了技术支持和重要的指导意义。     

5052铝/镀锌钢Nd:YAG激光熔-钎焊

利用Nd∶YAG激光器实现了5052铝/镀锌钢异种金属板材之间的熔-钎焊连接,并对焊缝成形、接头性能及微观形貌做了分析。分析结果表明,合适的热输入能够有效实现5052铝/镀锌钢异种金属之间的熔-钎焊连接,焊接接头中铝合金母材发生熔化与镀锌钢形成钎焊连接,镀锌钢母材并未发生熔化;焊接接头的抗拉强度为128 N/mm;微观形貌分析表明,在焊缝钎接界面处生成了一层薄金属间化合物层,金属间化合物层的厚度为3～4μm。     

镀锌层对铝/钢异种金属激光填粉焊接的影响研究

采用Nd-YAG激光器对铝/镀锌钢进行了异种金属激光填粉熔-钎焊试验研究,通过SEM对焊接接头进行了测试,研究分析了镀锌层对铝/钢异种金属激光填粉焊接的影响。结果表明：Zn能够在Al中充分固溶使得Al原子的相对浓度降低,减缓Al原子向钢侧的扩散,在一定程度上抑制Fe-Al脆性相金属间化合物的生成速率。接头强度较好的试件,断裂行为均是钎接界面区与镀锌钢的结合面上首先出现裂纹,随后扩展到钎接边缘富锌区处发生断裂。     

焊接电流对铝/镀锌钢TIG焊接头显微组织与力学性能的影响

本文采用TIG熔-钎焊焊接方法,以Al-Si12为填充材料,将6061铝合金与HSLA350镀锌钢以搭接方式进行连接.本试验用扫描电子显微镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)、X射线衍射仪(XRD)和能谱仪(EDS),对40 A、60 A和80 A三种不同电流下焊接接头的显微组织进行表征,并测试了接头的力学性能,分析电流大小对焊接接头显微组织和力学性能的影响.结果表明:铝合金能与镀锌钢形成连接良好的接头,焊接电流40 A时接头结合不牢固,焊接电流80 A时接头内形成了更多的硬脆相,力学性能降低.焊接电流60 A时接头性能最佳,为188.4 MPa,可达6061铝合金母材的71%;在铝/钢TIG焊接接头界面处形成了铁、铝异种金属间化合物,靠近铝一侧形成较厚一层FeAl3金属间化合物,靠近钢一侧形成了较薄Fe2 Al5金属间化合物层,还伴随有少量的Fe3 Al生成.     

铝/钢异种金属无钎剂激光填粉熔钎焊接

采用宽带激光光斑和填粉焊接技术,在不使用钎剂的情况下进行6061铝合金/镀锌钢板的熔钎焊接实验。分析测试了接头成形、焊缝组织和接头强度,并探讨了影响接头强度的因素。结果表明,采用此方法可实现6061铝合金/镀锌钢板的熔钎焊连接。选用优化的焊接工艺参数获得了成形饱满,无裂纹、气孔等缺陷的焊缝。焊缝熔宽和金属间化合物层厚度随焊接热输入量的增加而增大。熔钎焊缝中金属间化合物由Al-Fe和Al-Fe-Si系统化合物组成。拉伸试样均断裂在钎料/镀锌钢界面,接头最大机械抗力为152.5 N/mm,断口呈脆性断裂特征,钎料/镀锌钢界面为接头的薄弱环节。拉伸试样铝一侧断裂面由Al5Fe2Zn0.4和α-Al组成。焊缝熔宽、金属间化合物层厚度共同决定了接头的机械抗力水平。     

激光深熔钎焊车用铝/钢异种金属试验研究

为了实现车用铝/钢异种金属良好连接,采用光纤激光对车用铝合金与镀锌钢对接接头进行了激光深熔填丝钎焊工艺试验,并对焊缝接头的成形、界面金属间化合物层,以及力学性能进行了分析。结果表明,铝合金一侧是激光深熔焊接接头,而镀锌钢一侧是钎焊接头;在镀锌钢与钎焊缝中间界面存在金属间化合物层,厚度小于10μm;金属间化合物主要为Al7.2Fe2Si和（Al,Si）13Fe4;拉伸试样主要断裂于铝合金热影响区处,平均抗拉强度为145MPa;接头的断裂方式主要是韧窝断裂。     

基于强脉冲激光的Ti/Al冲击点焊实验研究

提出了一种可以实现同种或异种金属材料固态冶金结合的新型激光冲击点焊工艺。实验中,采用Nd∶YAG激光器发出的脉冲激光驱动厚度为30μm的钛箔产生局部塑性变形,并以超高速撞击厚度为100μm的铝板以实现点焊连接。当钛箔的飞行距离分别为0.3、0.6、0.9 mm时,焊点中心的回弹区域面积依次减小,而结合区域面积依次增大。采用冷镶嵌技术制样用来观察焊点的截面特征,发现了沿焊点直径方向振幅和周期变化的波形界面和平直型界面。为研究激光冲击点焊对材料力学性能的影响,应用纳米压痕测试技术测量了垂直于焊接界面方向材料的显微硬度,结果表明焊接界面附近材料的硬度值明显提高。此外,焊接试样的拉伸剪切测试结果表明,当复板和基板发生有效固态冶金结合时其连接强度较高,失效形式通常是焊点边缘破裂。激光冲击点焊为厚度在微米级的异种金属箔板的点焊连结开辟了新途径。     

微波功率器件中AuGe合金焊接界面特征

在微观尺度上,焊点的可靠性取决于焊料同焊盘之间界面反应生成的界面金属间化合物(IMC)的结构。通过金锗合金焊点的界面反应及微观结构随环境的变化表征了焊点的可靠性,研究了AuGe合金焊料与不同金层厚度的Ni/Au焊盘共晶焊接后其界面特征,同时总结了AuGe合金焊料在Cu和Ni等常见焊盘上的焊接润湿性及其焊接界面特征。切片分析结果显示,在共晶焊接后,厚金样品焊接界面冷却时焊料层析出富Au相形成不规则焊接结合层,Au层厚度减薄50%～60%;薄金样品的Au层全部消失,并在界面处形成很薄的一层富Ni的NiGe化合物。实验结果显示,厚Au层样品未出现Ni向焊接层扩散的现象和NiGe化合物的生成,厚Au层起到了阻挡层作用;薄金样品时,Ni通过互扩散缓慢与Ge形成NiGe化合物,在长期使用中焊接层会通过元素扩散等形式演变,使整个焊接层转变为含氧化层、富P层、NiGe层和AuCuGe合金层等多层结构的IMC,降低了焊点强度,严重影响焊接层可靠性。这说明IMC在焊接过程中主要以界面化学反应方式形成,服役过程中主要以元素扩散方式演变。     

镁合金/钛合金脉冲激光焊接头的组织、性能调控

采用脉冲激光偏移镁侧并添加铜中间层的方法对镁合金和钛合金进行激光对接焊接,研究了界面元素扩散和反应特点,分析了铜中间层厚度对接头组织和力学性能的影响及接头断裂的主要原因。结果表明:铜中间层的加入改善了焊缝/钛合金界面的组织,增大了界面附近Ti-Cu化合物的含量;随着铜中间层厚度增大,界面处Ti2Cu反应层的厚度逐渐增大并变得连续,且接头的断裂位置从界面反应层转变到焊缝区;当铜中间层的厚度达到30μm时,接头的抗拉强度达到了121 MPa。     

基于AlCu焊丝的铝/钢激光-CMT复合熔钎焊工艺及性能分析

采用AlCu焊丝对铝/钢异种金属进行激光-CMT复合熔钎焊试验,系统研究复合焊接工艺参数对焊缝成形的影响规律,分析接头的硬度分布、微观结构及拉伸性能。研究结果表明：提高激光功率、增大送丝速度或降低焊接速度均可以提高铝在钢侧的润湿铺展效果,获得了优化的复合焊接工艺参数：激光功率2 100 W、送丝速度4.0 m/min和焊接速度1.0 m/min。铝/钢界面金属间化合物呈现双层结构,靠近钢侧为板条状,靠近铝侧为针尖状,在最佳复合焊接工艺参数下的金属间化合物层厚度约为2.1μm,相组成为Fe₄Al₁₃、Fe₂Al₅、FeAl₃和Al₂Cu。接头的平均抗拉强度约为164.9 MPa,可以达到铝合金母材的67.3%,断裂方式为穿晶断裂和沿晶断裂的混合断裂模式。     

钢/铝异种金属激光填丝熔钎焊对接接头组织与性能分析

采用光纤激光和铝硅焊丝对2.5mm厚6013铝合金和镀锌低碳钢的异种金属对接接头进行了激光填丝熔钎焊。采用光学显微镜、扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)分析了熔钎焊对接接头的微观组织,采用拉伸试验测试了接头强度,并研究了热输入对钢/焊缝界面处金属间化合物和接头强度的影响。试验结果表明,在适当焊接参数下可以获得成形良好和具有一定抗拉强度的钢/铝对接接头。进一步分析表明,钢/焊缝界面处主要生成了FeAl2和FeAl3金属间化合物。随着热输入量的增加,金属间化合物的厚度随之增加。焊缝中的组织则为α-Al基体晶界上均匀分布着条状Al-Si共晶组织。在钢板采用30°坡口时可以获得的最大抗拉强度为88MPa,采用45°坡口时强度可以达到135MPa。     

SUS301L不锈钢CO_2激光-MIG复合焊接头组织性能研究

针对2mm厚SUS301L奥氏体不锈钢薄板进行CO2激光-熔化极惰性气体保护电弧(MIG)复合对接焊试验,深入分析了焊接接头不同区域的显微组织及相组成,研究了装配间隙对焊接接头微观组织和力学性能的影响。结果表明,SUS301L奥氏体不锈钢复合焊接接头中心区域呈一定方向性的细小枝晶组织,未出现等轴晶区域,偏离焊缝中心区为垂直于熔合线向焊缝中心生长的柱状晶组织,距焊缝中心距离越远,晶粒越粗大;焊接接头主要由γ奥氏体相和少量δ铁素体相组成,焊缝凝固模式为铁素体-奥氏体结晶(FA)模式,凝固过程中发生的δ-γ转变由块状转变和相界面处的短程自由扩散作用共同完成;随着装配间隙的增大,焊缝残余δ铁素体含量逐渐降低,抗拉强度随之下降,断裂发生在焊缝靠近熔合线区域的粗大柱状晶区。     

镁/钛异种金属预置Al夹层光纤激光熔钎焊接特性

镁/钛异种金属既不反应也不互溶的特性制约着两者之间的冶金结合和可靠连接。为解决这一问题,通过中间预置铝(Al)箔对镁/钛实施激光搭接焊。调整焊接工艺参数获得较好的焊缝成形,并对界面元素扩散及连接机理进行研究。结果表明,Al中间夹层的添加能很好地改善镁/钛界面的润湿铺展,促进了界面的冶金反应。当添加的Al中间层厚度为50μm时,接头载荷是未添加的1.8倍,达到1010 N/cm。界面组织分析表明在激光直接辐照区形成了一定厚度的Al Ti3相,其余部位为Ti基化合物(α-Ti)。焊缝中第二相数量随着Al夹层厚度的增加而增多,当形成网状结构时造成焊缝变脆,降低接头拉剪载荷。