【摘 要】
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铝合金、高强钢异种金属连接件应用于汽车车身可以实现车身轻量化从而达到节能减排的效果。由于汽车车身制造高速化、精准化、自动化的要求,使得激光焊接技术广泛应用于车身结构件的连接制造过程中。然而由于铝、钢的热物理性能差异较大使得二者的焊接接头可靠性难以保证,尤其是二者间的冶金相容性较差使得铝与钢的焊接过程中极易形成硬脆的铁铝金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,极大地影响
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铝合金、高强钢异种金属连接件应用于汽车车身可以实现车身轻量化从而达到节能减排的效果。由于汽车车身制造高速化、精准化、自动化的要求,使得激光焊接技术广泛应用于车身结构件的连接制造过程中。然而由于铝、钢的热物理性能差异较大使得二者的焊接接头可靠性难以保证,尤其是二者间的冶金相容性较差使得铝与钢的焊接过程中极易形成硬脆的铁铝金属间化合物（Intermetallic compound,IMC）,极大地影响了焊接接头的力学性能。如何有效控制IMC的形成对于提高接头力学性能十分关键,开展铝/钢异种金属焊接工艺研究,探讨焊接工艺对IMC的形成及演变机理十分必要。因此本文开展了DP590高强钢/AA7075铝合金异种金属双光束激光熔钎焊工艺研究,获得焊接工艺对接头成形质量的影响规律,揭示铝/钢界面IMC的形成机制及影响因素,阐明IMC形貌及分布对接头力学性能的影响机理,为获得铝/钢异种合金高质量焊接接头提供试验数据和理论支持。首先,开展了铝/钢异种金属熔钎焊焊接试验,通过改变不同激光功率、焊接速度、光束能量比例,发现焊接接头成形质量随焊接过程热输入的增加而提升,主光束能量占比下降的过程中焊缝润湿角持续下降,润湿长度先增大后减小。观察焊缝截面,发现存在铁铝金属间化合物层,且部分脱离界面迁移进入焊缝中的现象,IMC层迁移现象出现在两束激光直接作用的区域。数值模拟结果显示熔池内部的流场流动是IMC层迁移行为的驱动力。填丝熔钎焊与双光束熔钎焊所得焊缝相比焊缝成形质量较差,由于填丝改变了熔池内部流场流动模式、消除了IMC层迁移的驱动力,进而消除了IMC层的迁移现象。其次,对铝/钢界面处IMC层的形貌及分布进行了系统表征。铝/钢界面处IMC层呈现中间厚、两端薄的分布形貌,铝/钢界面中部IMC层厚度约为8～12μm,IMC层厚度随焊接热输入的提升而增加。IMC层存在两种不同的形貌,铝合金焊缝一侧为由Fe Al3（θ相）组成的针状IMC,高强钢一侧为由Fe2Al5（η相）组成的平板状IMC层,平板状IMC层内存在由于η相取向生长所形成的粗大柱状晶组织。发生迁移的IMC层中,近铝/钢界面处IMC层由η相组成,形貌致密与界面处平板状IMC层相似;远离铝/钢界面处的IMC层由θ相与α-Al混合组织组成,形貌疏松。迁移的IMC层下方铝/钢界面处存在新生成的IMC层,由η相组成,厚度较薄且分布不均。最后,对不同工艺参数下的铝/钢焊接接头进行了拉伸力学性能测试。拉伸试验中断裂于焊缝的断口为韧性断裂,强度较高;断裂于铝/钢界面的断口为脆性断裂,强度较低。获得了最佳的焊接工艺参数为:激光功率1.3 k W,焊接速度0.6 m/min,光束能量比8:2,此时所得到的焊接接头拉伸性能最佳,达到130.1 N/mm。焊缝润湿长度小于2.2 mm或界面处IMC层厚度超过12μm均会使接头存在界面脆性断裂倾向。基于断口截面的观察,发现IMC层的迁移行为会削弱其下方铝/钢界面处的强度,因此应尽可能避免IMC层迁移现象的出现。
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