钢铝异种金属焊接研究进展.docx

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1、本科毕业论文（设计）论文题目：钢/铝异种金属焊接研究进展摘要近年来，随着航空航天、汽车制造等行业的快速发展，单一金属已不能满足这些行业对金属性能的的要求。钢具有很高的强度、优良的加工性以及价格便宜的特点，而铝合金具有比强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，国内外研究人员将这两种金属焊接在一起，获得具有这两种金属力学性能的金属材料。本文首先对钢铝异种金属的研究背景与意义进行了了解，对低合金高强钢和铝的焊接性、焊接工艺措施及钢铝异种金属焊接的难点进行了分析。介绍了铝异种金属常用的焊接方法，指出了它们在焊接过程中各自的优势以及存在的问题，对国内外研究人员用不同的焊接方法焊接钢铝异种金属时所取得的研究进展进行

2、了综述，并对钢铝异种金属的焊接进行了展望。关键词：铝；钢；焊接方法；表观形貌论文类型：理论研究AbstractInrecentyears,withtherapiddevelopmentofaerospace,automobilemanufacturingandotherindustries,asinglemetalhasbeenunabletomeettherequirementsoftheseindustriesonmetalproperties.Steelhasthecharacteristicsofhighstrength,excellentworkabilityandcheappric

3、e,andaluminumalloyhasthecharacteristicsofhighspecificstrength,lightweight,corrosionresistance,researchersathomeandabroadweldedthesetwometalstogethertoobtainmetalmaterialswithmechanicalpropertiesofthesetwometalst.Inthispaper,thebackgroundandsignificanceoftheresearchofsteelandaluminumdissimilarmetalsa

4、reunderstood,andtheweldability,weldingprocessmeasuresanddifficultiesofweldingofsteelandaluminumdissimilarmetalsareanalyzed.Thispaperintroducesthecommonweldingmethodsofaluminumdissimilarmetals,pointsouttheirrespectiveadvantagesandexistingproblemsintheweldingprocess,summarizestheresearchprogressmadeby

5、domesticandforeignresearcherswhenweldingsteelaluminumdissimilarmetalsbydifferentweldingmethods,andgivesaprospectfortheweldingofsteelaluminumdissimilarmetals.Keywords:Steel;Aluminum;WeldingMethod;ApparentMorphologyThesistype:Theoreticalresearch目录摘要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。目录IV1绪论11.1 研究背景及意义11.2 钢/铝

6、异种金属焊接的难点11.3 研究内容错误!未定义书签。2钢/铝异种金属的焊接方法及焊接研究进展32.1激光焊31.1 .1激光焊原理31.2 .2钢/铝异种金属激光焊的研究进展错误!未定义书签。2.2搅拌摩擦焊112.2.1搅拌摩擦焊原理112.2.2钢/铝异种金属搅拌摩擦焊的研究进展122.3冷金属过渡焊162. 3.1冷金属过渡焊原理163. 3.2钢/铝异种金属冷金属过渡焊的研究进展172. 4本章小结183钢/铝异种金属焊接的应用202.1 钢/铝异种金属焊接的应用203. 2钢/铝异种金属焊接的展望20结语22参考文献23致谢251绪论1.1 研究背景及意义近年来，随着科学技术的日益

7、进步，人们通过降低生产成本获得了更好的经济效益，但是随着汽车工业的迅速发展，在便利了人们出行的同时，也导致了能源消耗的大大增加，汽车尾气的超标排放以及环境的严重污染。人们也逐渐意识到了减轻汽车自重对保护环境的重要性，从而开始了对汽车轻量化这一领域的研究。铝合金具有比强度高、质量轻、耐腐蚀的特点，使用铝合金来代替汽车车身的某些钢部件，可以在不影响汽车的使用性能的情况下能有效地降低车身重量。钢作为工业上应用最为普遍的金属材料，具有更高的强度、更优良的加性能以及较低的成本，在某些结构件中扮演着重要的作用，是铝及铝合金无法完全替代的。为了同时兼具钢的强度和铝的轻质、耐腐的优点，从而解决单一金属不能满足

8、多种金属优质性能的问题，国内外研究人员将钢和铝进行了焊接,这样既获得铝及铝合金质量更轻、更耐腐蚀优点的同时，又兼具了钢强度更高、成本更低的优势。因此，研究钢铝异种金属的焊接具有十分重要的现实意义。1.2 钢/铝异种金属焊接的难点钢铝异种金属焊接存在许多焊接技术上的难点，用常规焊接方法焊接，焊接接头脆性大，易出现大量裂纹，应力集中严重田。Fe和Al元素的物理性能相差很大，如表1.1所示。在熔点方面，Fe的熔点为Al的2.3倍多，所以用传统的熔化焊焊接时，它们熔合不均匀。在密度上，Fe和Al的密度相差很大，Fe的密度将近是AI的3倍，在形成熔池后液态铝会浮在上面，而液态钢会沉下去，对熔池里的合金元

9、素的均匀分布十分不利，导致焊接接头性能的恶化。而在线膨胀系数和热导率方面，Al的线膨胀系数快接近Fe的线性膨胀系数的2倍，导热率更是达到Fe的3倍还多，因此，在焊接后会产生很大的热应力和残余应力，在冷却凝固后极易产生大量裂纹，导致焊接接头的强度降低，力学性能下降。Fe在Al中的固溶度较低，焊接熔池冷却过程中会生成Fe-AI脆性金属化合物叫铁与铝发生化学反应时有FeAl、FeAl2、FeAb和Fe2Al5等硬脆性金属间化合物的生成,导致焊接接头的塑韧性下降甚至出现裂纹,大大降低接头的力学性能。表1.1铁和铝的物理性能对比元素密度(gcm3)熔点m0c比热容c(Jkg,K,)热导率线膨胀系数10-

10、6K,弹性模量EZGPa/(Wm,K-,)Fe7.87153748266.711.7671Al2.766093520723.82101.3研究内容（1）本文对钢铝异种金属的研究背景及意义做了介绍，并对钢铝异种金属焊接时存在的难点进行了分析，将在第一章呈现。（2）本文对激光焊、搅拌摩擦焊、冷金属过渡焊的焊接原理及优缺点进行了介绍，从激光功率、焊接速度、合金元素这三个方面对钢铝异种金属激光焊接接头表观形貌的影响进行了分析；从搅拌头转速、搅拌头的偏移量以及焊丝的厚度三方面对搅拌摩擦焊焊接接头的表观形貌的影响做了分析；从热输入、焊枪偏移距离、焊接速度三个方面对冷金属过渡焊焊接接头的表观形貌的影响做了研

11、究，将在第二章呈现。（3）本文对钢铝异种金属焊接在各个领域的应用做了介绍，并对钢铝异种金属焊接今后的发展做了展望，将在第三章呈现。2钢/铝异种金属的焊接方法及焊接研究进展2.1 激光焊2.1.1 激光焊原理激光焊接技术是21世纪以来异种金属焊接的最常用焊接方法之一网,广泛应用于汽车、电子、冶金等领域，其焊接原理是采用高能量密度的激光束作为热源，作用于待焊接金属母材的表面，金属母材不断吸收能量产生热量，并由表面向内部传导扩散，使材料熔化，当激光关闭时，材料会立刻冷却结晶，完成焊接。根据焊接时激光能量密度的不同，分为激光热传导焊和激光深熔焊(如图2.1),能量密度在10i()6wcm2之间为热传导

12、焊接，此时焊接母材吸收激光能量达到熔点，焊接母材熔化但不足以使其发生气化,待冷却凝固后形成焊缝，这种焊接方式的特点产生的熔池较浅，焊缝较窄，常常应用于薄板件的焊接。当能量密度I(AK)7wcm?之间为激光深熔焊，此时焊接母材迅速升温熔化产生熔池并在快速内达到沸点，熔池表面材料气化产生金属蒸气，与熔池液体金属相互作用，使熔池内部形成类似钥匙形状的小孔，通常被我们成为匙孔，因此激光深熔焊又被称为匙孔焊，匙孔的产生增加了熔池内部材料与激光的相互作用，所以深熔焊相比热传导焊激光能量利用率大大提高，能在材料内部形成更大的熔深，且热影响区小，常被应用于较厚金属板材的焊接，也是钢铝异种金属焊接的常用焊接方法

13、之一网。（八）激光热传导(b)激光深熔焊图2.1激光焊接原理示意图激光焊接异种金属时，能量密度高、热影响区窄、焊缝深宽比大，且焊缝成形良好、焊缝连续、焊接缺陷少，但激光焊接对焊件装配精度高要求高，激光的能量利用率低,焊接设备成本高。2.1.2 钢/铝异种金属激光焊的研究进展（1）激光功率对焊缝成形的影响激光功率是影响钢铝焊接效果的主要工艺参数之一，固定其他工艺参数，随着激光功率的增大，输入钢铝母材的激光能量密度不断增加，即热输入不断提高。当激光功率功率过低时，焊接母材吸收的激光能量较低，温度达不到母材气化温度，深熔焊的匙孔难以形成，且热量难以传递至下侧铝母材表面，钢铝母材很难融合，容易出现未焊

14、透的现象。当激光功率过高时，液态金属产生飞溅，焊缝表面会呈现过渡烧蚀、孔洞及裂纹等缺陷，容易出现下侧铝母材被焊穿现象。罗兵兵等人【划在研究工艺参数对钢铝激光搭接焊接头质量的影响时，做了激光功率对焊缝成形影响的实验。发现激光功率对焊缝表观形貌有较大影响（图2.2）,当激光功率较小（700W、800W、900W）时，无明显飞溅、裂纹等缺陷，焊缝成形美观，当激光功率达到100OW时，有飞溅产生且焊缝不均匀，焊缝成形较差（图2.2左）；从图2.2右可看出，激光功率为70OW时，未出现明显背痕，说明钢铝未能很好融合，焊接效果一般，但随着激光功率的增大，熔透痕迹逐渐清晰，母材被焊透而未被焊穿，焊缝成形较好

15、。三7而而而而而7三I三1IMlHlw山山川IlHIHlll巾“Illll（八）P=700WIiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiX*(b)P=800W(c)P=900WIiMiiiHiiiiiiiiiiiiimiiIIiUimmBi（d）P=I000W图2.2不同激光功率下的焊缝表观形貌【刈（左边为正面，右边为背面）单晨等人在研究用稀土合金元素粉末改善钢铝激光焊接接头性能时，做了激光功率对焊缝成形影响的实验。发现激光功率对焊缝表观形貌会产生较大影响（图2.3）,激光功率为40OW时，焊缝颜色为蓝色，整体呈凸起状，并且焊件背面铝母材未出现背痕，钢铝没有很好地熔合未成功焊接；激光功率为425W时，焊缝整体颜色偏白色和金黄色，母材受热相对较好，焊缝未凸起，并且在铝合金母材背部有轻微背痕，总体焊接效果较好；激光功率为450W时，焊缝表面整体颜色为黑色，母材表面过渡烧蚀，铝合金背部出现部分焊穿现象，焊接效果较差。(b)400W焊缝宏观形貌图(d)425W焊缝宏观形貌图(c)425W焊缝表面显微放大图(e)450W焊缝表面显微放大图(f)450W焊缝宏观形貌图图2.3不同激光功率的焊缝表观形貌1划王晓虹等人冲在研究钢/铝