粉末—胶层辅助激光焊钢_镁界面连接机理研究

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1、学校代号10532学号S1502W0145分类号TG665密级公开工程硕士学位论文粉末-胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究学位申请人姓名李超培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称周惦武教授张才友高工学科专业机械工程研究方向激光加工技术与装备论文提交日期2018年4月23日学校代号：10532学号：S1502W0145密级：公开湖南大学硕士学位论文粉末-胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究学位申请人姓名：李超导师姓名及职称：周惦武教授张才友高工培养单位：机械与运载工程学院专业名称：机械工程论文提交日期：20

2、18年4月23日论文答辩日期：2018年5月25日答辩委员会主席：程军圣教授StudyontheConnectionMechanismofMetallurgicalJoiningofPowder-glue-assistedLaserWeldingofDualPhaseSteeltoMagnesiumAlloysInterfacebyLICHAOB.E.(UniversityofSouthChinaofTechnology)2013Athesissubmittedinpartialsatisfactionoft

3、heRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinMechanicalEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorZHOUDianwuSeniorEngineerZHANGCaiyouMay，2018粉末-胶层辅助激光焊钢/镁界面连接机理研究摘要高强度钢和轻金属合金相结合是实现汽车轻量化的一种途径。汽车材料发展的多元化使得不同种材料之间的连接问题变得不可避免，其中之一就是钢与

4、镁合金的连接。由于钢、镁熔沸点差异巨大，无法实现两者同时熔化。此外，镁在铁中不形成固溶体，也不会生成金属间化合物，因此实现双相钢与镁合金的有效焊接较为困难。为探究实现钢/镁异种金属连接的新方法，文中拟用汽车用钢（1.4mm厚DP590）和镁合金（2.0mm厚AZ31）平板作为研究对象，提出钢在上，镁在下的搭接方案，同时在两者之间添加锡粉-胶层的光纤激光焊接工艺。采用光谱仪采集焊接过程中的焊接光谱，计算各元素电子密度，分析元素烧损情况；利用高速摄像机拍摄焊接飞溅特征，计算飞溅时反冲压力，分析飞溅特征与熔深之间的

5、关系；采用带能谱（EDS）的环扫电镜与微机拉伸实验机分别检测焊接试样的显微组织与接头性能；采用基于COMSOL有限元软件数值模拟接头温度场分布，从接头力学性能、能量传递、焊缝形貌、接头微观组织等角度，研究胶层和粉末对钢/镁焊接部位的作用机制。以期望解决钢和镁合金异种材料的连接问题，同时为钢/镁结构件激光焊接的推广和应用提供实验依据。采用COMSOL有限元软件，建立双相钢/镁合金激光焊搭接焊的非线性的二维有限元模型，数值模拟钢/镁焊接接头的温度场分布。模拟发现锡粉-胶中间层模型中镁侧温度在镁合金沸点1107℃的

6、范围比锡粉中间层模型中对应位置明显减少，温度在镁合金熔点650℃的范围在熔宽方向比锡粉中间层模型对应位置有所增加。钢侧熔池底部温度在钢熔点1538℃的范围比锡粉中间层模型中对应位置有所增加。这意味着，添加锡粉-胶中间层的焊件镁侧的熔深降低，熔宽增加，钢侧底部的熔池略有增加，这与实际实验数据一致。实验说明采用旋转高斯曲面体热源模型用于模拟钢/镁激光搭接焊接头部位温度场是合理的。进一步说明胶层在减少热量自钢板向镁合金传递的过程中，起到了较明显的阻热效果，从而形成较大的温度梯度利于双相钢和镁合金的同时熔化，增加了钢

7、侧熔池底部和镁侧熔池的熔宽。胶层通过降低镁侧温度减少镁合金烧蚀、汽化产生的熔液飞溅现象，减小飞溅引起的反冲压力，从而影响焊缝的熔宽与熔深，同时胶层的搅拌使得钢侧熔池底部出现较多的镁元素。通过研究焊接接头部位的微观形貌，焊接熔池和钢/镁接头过渡区域未见大规模焊接缺陷；与锡粉中间层进行对比，锡粉-胶层组成中间层焊件的钢侧下表面和镁侧上表面的熔宽增加，镁侧熔深变浅；镁侧熔池区域生成呈柱状枝晶的Mg2Sn，说明锡粉中间层实现了双相钢与镁合金之间的双向结合。关键词：钢/镁异种金属；激光焊接；锡粉-胶；温度场；反冲压力；

8、数值模拟II工程硕士学位论文AbstractThecombinationofhigh-strengthsteelandlightmetalalloysisawaytoachievealightweightvehicle.Thediversificationofautomotivematerialdevelopmenthasmadetheconnectionbetweendifferentkindso