铝_钢激光焊接头组织、力学性能及界面化合物计算

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1、：分类号：密级ＵＤＣ：３１５００６：学号４０５９０６南昌大学硕士研究生学位论文铝／钢激光焊接头组织、力学性能及界面化合物计算ＭｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅＭｅｃｈａｎｉｃａｌＰｒｏｅｒｔｉｅｓｏｆＡｌｕｍｉｎｕｍ／ＳｔｅｅｌＬａｓｅｒ，ｐ－ａｃｕａｏｎｏｆＩｎｅｒｍｅａＷｅｌｄｅｄＪｏｉｎｔｓａｎｄＦｉｒｓｔｒｉｎｃｉｌｅｓＣｌｌｔｉｔｔｌｌｉｃＰｐＣｏｍｐｏｕｎｄｓ陈从胜培养单位、（院系）：机电工程学院指导教师姓名、职称：郑志强教授李玉龙

2、教授申请学位的学科门类：工学学科专业名称：材料加工工程论文答辩日期：２０１：年５月２８日答辩委员会主席：评阅人：％２０１８年月日摘要摘要大规模，集成化和高效生产是未来制造业的方向发展，为适应这种发展趋势，工业生产对现有的材料焊接技术提出了更高的要求。伴随着科学技术的发展，各种新型焊接技术应运而生，激光焊接就是在这一背景下诞生的。激光焊接具有很高的加热精度和焊接速度，能够适应大规模生产的要求。目前在工业上大规模应用于比强度较高的铝/钢异种金属材料复合结构焊接，这对于节

3、能减排有十分重要的意义。但是，铝/钢异种金属激光焊接较为复杂,二者的物理性能差异较大，焊缝冷却后容易形成大量金属间化合物并引发接头产生显微裂纹，严重的恶化接头的力学性能。因此，对界面微观组织的观察和金属间化合物的控制与性能研究是个热门的话题。本文利用Nd:YAG脉冲激光焊机和光纤激光焊机研究了铝/钢异种金属激光焊接封边、搭接和T型焊接三种形式接头的微观组织结构和力学性能，并对铝/钢界面常见的几种金属间化合物力学性能和电子结构做了第一性原理计算。首先，本文利用Nd:YAG脉冲激光焊机进行了铝/钢异种

4、金属封边焊接实验。重点优化了激光焊接参数，观察了焊缝形貌，显微裂纹，金属间化合物等组织和接头抗拉剪力随焊接线能量的变化，并分析了各参数对焊接质量影响的顺序。结果表明，优化后的参数为：焊接电流为110A，脉宽4ms，频率10Hz，焊接速度200mm/min，单位长度最大抗拉剪力为19.79N/mm。参数对焊接质量影响的顺序为：脉宽＞频率＞电流＞速度。铝/钢金属间化合物存在块状和针状两种形式，主要分布于熔合线附近。拉剪实验中，接头断裂形式主要为脆性断裂，局部表现出塑性断裂特征。进一步，在已探明金属间化

5、合物是由于焊接过程中铝元素大量进入熔池形成的情况下，提出了添加中间层利用物理阻隔和化学冶金的方式来减少焊接过程中铝元素大量进入熔池，从而避免凝固过程中形成大量金属间化合物。选用了Nd:YAG脉冲激光焊机进行镀铜铝合金与不锈钢激光搭接焊接，通过SEM、EDS和XRD分析，揭示了镀铜前后界面形态，元素分布规律，金属间化合物种类和断裂位置等等的变化。结果表明，镀铜层有效的降低了铝/钢界面扩散混合的速率，从而减小了熔池内部的显微裂纹及脆性区域大小。与此同时，界面处摘要粗大针状Fe2Al5得到有效抑制，接头

6、韧性和抗拉剪力得到增强；随镀铜层厚度的增加，焊接接头拉剪断裂部位由焊缝内部逐渐移向铝基体，断裂方式由解理断裂向韧性断裂与准解理断裂混合的模式转变。为了解金属间化合物的力学性能，选用大功率光纤激光焊机进行铝/钢异种金属T型接头焊接，利用更加精密的纳米压痕仪测量了金属间化合物区域的显微硬度和弹性模量。最后，利用Castep软件对各金属间化合物的空间结构进行了优化，并对其弹性模量，硬度等部分力学性能和态密度等电子性能进行了第一性原理计算。结果表明，纳米压痕实验测试的金属间化合物区域硬度远高于其他部位，但

7、由于基底的影响，其测量值低于模拟计算值。与母材相比，FeAl2，Fe2Al5和FeAl3晶胞尺寸较大，结构复杂，不具有对称性，其弹性模量，体积模量，剪切模量和硬度均较大，表现出高硬度和不易压缩与发生塑性变形的特性。电子态密度分析表明，Fe2Al5，FeAl2的化学键表现出了很强的共价键效应，FeAl3的稳定性相对较低。关键词：铝/钢激光焊微观组织力学性能金属间化合物第一性原理断裂特征ABSTRACTABSTRACTThefuturemanufacturingindustries,whichtend

8、tobemoreandmoreintegrated,efficientproductionandlargescale,hasurgedtoimprovethecurrentweldingtechnologytofitwiththistrend.Withthedevelopmentofthescienceandtechnology,variousnewweldingtechnologieshaveemerged;laserweldingwasbornunderthisbackgrou