铝/钢异种材料熔钎焊接方法及接头强度的研究

• 作 者: 尹兰礼
• 机 构: 北京工业大学
• 出 处: 北京工业大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 铝钢连接 熔钎焊接 金属间化合物 有限元模拟 接头强度 铝合金

铝合金是实现结构轻量化的重要材料。在汽车车身制造过程中，采用铝钢双金属焊接结构，是实现车身轻量化，降低油耗、减少污染的首选方案。　　
针对铝钢异种金属焊接的特点和易出现的各种难点问题，本文研究了熔钎焊接技术(主要包括冷金属过渡焊方法(CMT)和钨极氩弧熔钎焊接方法(TIG))用于铝钢连接的可行性。在研究过程中，以铝钢异种材料冷金属过渡焊接方法为重点研究对象，系统的研究了接头设计参数（包括钢板的强度级别、钢板的板厚、搭接宽度、间隙）对电弧熔钎焊接头强度及破坏模式的影响规律，并对接头的熔合线长度、气孔和裂纹、界面IMC层的成分与厚度等微观组织结构进行了实验分析。在实验观察的基础上，针对不同的破坏模式分别建立接头的失效判据，采用数值模拟和实验测试相结合的方法建立铝钢异种材料CMT熔钎焊接头强度和破坏模式的数值预测模型。　　
研究结果表明：采用CMT和TIG熔钎焊接方法，可以实现6061铝合金与常用镀锌低碳钢板(GMW2)和高强钢板(DP600)的连接，且其接头拉剪强度达到了钢母材强度的85％-92.5％，远远大于传统的自冲铆接连接方式，并基本上达到了钢与钢的胶接点焊的强度水平。　　
对于不同的接头设计参数而言，CMT与TIG接头拉剪强度随着母材强度级别和板厚的提高而增大；对于强度级别较低的材料，接头拉剪强度随板厚增加而增大的现象尤为显著；搭接宽度对接头拉剪强度的影响不大。此外对于CMT熔钎焊接头，其拉剪强度还随着预置间隙的增加而增大，尤其是对于较厚的板材，强度增加的更为显著。　　
气孔和微裂纹是影响铝钢熔钎焊接头拉剪强度的重要因素。随着预置间隙的增加，气孔率和裂纹长度随之相应减小，最终反映到宏观上为接头的拉剪强度增大。铝钢熔钎焊接头界面间的金属间化合物(IMC)主要由Al、Fe元素组成，同时Zn、Si元素也会通过扩散进入界面层形成IMC。在本文研究的实验条件下，CMT与TIG接头的IMC厚度在1.73-3.83μm范围内变化。对比研究发现，CMT接头IMC层厚度较小，但是TIG接头的熔合线长度较大，两因素共同作用使得TIG熔钎焊接头强度相对较大。