铝合金/镀锌钢板异种金属大光斑激光＋MIG电弧复合热源熔-钎焊接头界面组织结构及其对接头性能的影响

铝合金与镀锌钢板的复合结构，可以充分发挥材料的固有优势，降低结构重量，但其高效高强连接问题尚未得到完全解决。前期研究表明，铝合金/镀锌钢板复合热源熔-钎焊接头强度与钎焊界面金属间化合物的结构有很大关系。本课题通过对铝合金/镀锌钢板高效熔-钎焊接的能量条件、熔-钎焊接头中钎焊界面上各种Fe-Al金属间化合物的形成条件、结构、分布及其对接头性能的影响等问题的研究，揭示铝合金/镀锌钢板熔-钎焊接的能量条件、大光斑激光＋MIG电弧复合热源焊接工艺参数、填充材料对铝合金/镀锌钢板熔-钎焊接头界面组织结构及接头强度的影响规律，并提出提高接头强度的技术措施。本课题的研究不仅可为生产中焊接工艺参数的选择提供基础参考数据，还拓宽了铝合金/钢板异种金属高效连接基础研究的思路和激光+电弧复合热源焊接的应用范围，并为铝合金/钢复合结构的开发与应用奠定坚实的连接技术基础，具有较大的科学意义和应用前景。

对不能采用熔化焊的铝合金薄板与镀锌钢板，分别采用MIG电弧和大光斑激光＋MIG电弧复合热源熔-钎焊接实现了优质高强高效连接。试验结果表明，铝合金/镀锌钢板熔-钎焊接头分为熔焊缝熔合区、焊缝区、钎焊界面区、富锌区。熔焊缝区组织均为α-Al固溶体+Al-Si共晶组织。富锌区组织主要为α-Al固溶体+大量Al-Zn共晶组织。熔合区组织为垂直熔合线向焊缝方向生长的柱状晶；钎焊界面为金属间化合物层，从钢侧到焊缝依次为FeAl2、Fe2Al5和Fe4Al13。.焊接热输入对复合热源熔钎焊接头组织性能具有重要影响。随着焊接热输入的增大，界面层厚度呈增大趋势，但最大厚度不超过6μm；在形态上由致密化合物层向“针”、“棒”状过渡。接头拉伸断裂是以韧性断裂为主、脆性断裂为辅的混合断裂，主要发生在铝合金熔合区，而非钎焊界面区，接头最高强度可达247.3MPa，为铝合金母材强度的85%。.在MIG电弧熔-钎焊接有限元模型中，一部分电弧热处理成作用在熔池上表面的双椭圆面热源模型，另一部分电弧热与过热熔滴带入的热焓处理成均匀的体热源。考虑了垫板、搭接间隙以及相变潜热等因素，利用ANSYS计算了铝合金/镀锌钢板熔钎焊接热过程。计算结果表明，随着焊接电流的增加，钎焊界面温度升高，界面高温区宽度也相应增大，界面层变厚。根据钎焊界面温度分布，将钎焊界面分为未反应区、强界面反应区和弱界面反应区三个区域，其中强界面反应区对接头性能具有决定性影响。界面温度计算结果并结合拉伸试验结果表明，熔-钎焊界面反应温度在1000～1200°C，接头强度相对较高。.激光采用表面高斯热源处理、电弧为绕y轴旋转了一定角度的双椭圆面热源，熔滴的处理与MIG电弧熔钎焊相同，数值计算了铝合金/镀锌钢板大光斑激光+MIG复合热源熔-钎焊温度场。结果表明，在钎焊界面处明显有两个高温区。前面是激光形成高温区，范围较小，后面是电弧形成的高温区，范围较大。正是这种大光斑激光在前、电弧在后的复合方式，使得激光对钢板充分预热，改善了焊缝成形。.激光能量和电弧能量的合理匹配决定了熔-钎焊缝成形质量，结果表明，对于1mm铝合金与镀锌钢板复合热源焊接能量条件，焊接速度、焊接电流、激光功率之间存在一定协同关系；电弧能量可采用vw/v=2.3～3.4来确定，激光功率为800～1600W之间时，既能保证焊缝成形，又可以满足熔-钎焊接能量条件及接头强度要求。