（材料加工工程专业论文）镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 轻金属的大量应用对连接技术提出了新的要求，促使了连接技术的不断创新，以适 应产业发展的要求。目前焊接工艺广泛应用于工业生产中，但在某些领域还存在限制。 对于难焊材料，由于冶金上的原因，仅仅采用焊接工艺很难实现良好的连接，例如镁、 铝等异种金属之间的焊接。 本文借鉴胶接点焊技术在金属连接上的应用，首次提出采用将激光连续焊与胶接相 复合的新技术( 即激光胶接焊技术) 来连接镁、铝异种金属。课题以a z 3 1 b 镁合金和 6 0 6 1 铝合金为研究对象，研究了镁合金同种材料、镁合金和铝合金异种材料以及不同胶 层厚度的镁合金和锅合金异种材料的激光胶接焊工艺与机理，对焊接工艺参数的选取、 接头的微观组织、元素分布、接头的力学性能及其焊接缺陷等内容进行了深入的探讨。 试验结果表明，激光胶接焊接头在一定的参数下，焊缝成形良好，无明显焊接缺陷， 焊缝区内胶层受热分解并以气体形式逸出焊缝，并未影响焊缝的组织熔合；焊缝边缘附 近胶层炭化裂解，存在很窄的胶层失效区，对接头承载性能影响不大。与单一的胶接接 头和焊接接头相比，相同尺寸试件的激光胶接焊接头剪切力最大。激光胶接焊接头的抗 剥离力远大于胶接接头的抗剥离力。 激光胶接焊镁合金和铝合金异种材料，焊缝下板的组织呈涡流状，焊缝底部镁和铝 元素的熔合区存在金属间化合物层，该金属间化合物层由m 3 m 9 2 和越1 2 m 勘7 组成，这 是造成其接头断裂的主要原因。同时，胶粘剂的加入使焊缝的熔深增加。 激光胶接焊较厚胶层的镁合金和铝合金异种材料，镁、铝合金胶接接头需采用两道 焊工艺，在合适的参数下才能使其成功焊接。通过对比接头的横截面，发现胶层增厚， 熔深减小。较厚胶层的镁合金和铝台金激光胶接焊接头比较薄胶层的镁合金和铝合金激 光胶接焊接头的剪切力要大。 通过研究表明，实际生产中的镁合金和铝合金激光胶接焊，在不引起工艺条件复杂 化的前提下，应考虑选择较厚的胶层厚度。 关键词：激光胶接焊；镁合金：铝合金 三堡：堡：塑墨壁垒壁堂堂堕丝茎盟塑壅 s t u d yo nl a s e rw e l db o n d i n go f m a g n e s i u ma l l o y t oa l 眦i n u ma l l o y a b s t r a c t h l c r c a s e da p p l i c a t i o no fl i 曲铆e i g h tm a t e r i a l sp u t sf o m 删t oan e wr e q m r et o w a r d s j o i l l i n gt e c l l r 曲u ea i l da c c e l e r a t c so r i g i l l a l i t y i n n o v a t i o no fj o i l l i i l gt e c m q u et 0a d a 社m e d e m a i l do ni n d u s t r i a l d e v e l o p m e n t a t 也ep r e s e n tt i m e ，w e l d i n gi s 丽d e i ya p p l i c di n c o m m e r c i a lm ，b u th 髂r e s t r i c t 沁ni ns o m ef i e l d s f o rb a d l yw e l d m gm a t e r i a l s ，d u et o m e t a l l u r g y ，i ti sh 盯dt oj o i nt h e mo i l l yb yw e l d i n gt e c h n 0 1 0 9 y ，s u c ha sm a g n e s i ma l l o ya n d a l u m i m l ma l l o y 1 1 l i st h c s i sd r a w sl e s s o n sf 幻mt l l ea p p l i c 撕o no fs p o t w e l db o n d i n gi 1 1m e 试s j o i n j n g ，f o r t l l ef i r s tt i 1 ea d h e s i v eb o n d i i l gi sc o m b i n e d 谢也l 越e rc 0 咖o u sw e l d i i l gt oj o i nm a g 了l e s i l l 工n a l l o ya n da l u 1 i n u ma l l o y l n l e l yl 懿e rw e l db o n d i n g ，l w b ) 1 1 1 i sp 印e rs d e c t sa z 3 1 b m a 2 皿e s i u ma 1 1 ya i l d6 0 6 1a l u r n i n u ma 1 1 y 器r e s e a r c ho b j e c t st os t u d yp m c e s sd i a 】阻c 僦s t i c s a i l dm e c k l n i s mo fl 毋s i m i l a rm e t a l sa n dd i s s i m i l a rm e t a l s 、i t l l 也es 锄ea n dd i f f b r e n t a d h e s i v et 1 1 i c k n e s s e s ，趾dp m f o m d l yd i s c u s st i l es e l e c t i o no fw d d i n gp a r a m e t e r s ，t h ea n a l y s i s o fm i c r o s m j c n l r e s ，d i s t r i b u t i o no fe l e m c n 招，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，w e l d i n gd e f c c t s ，a n ds o o n 1 1 l er e s l l l t ss h o w l a ta d h e s i v ci nn l el w bw e l dw 嬲h e a t e da 1 1 de s c a p e di nm ef b 彻o f g a s ， w h i c hw o m dn o ta f 诧c tt l l em i c r o s 协l c t u r e so fw e l d a d h e s i v en e a rn l cl w bw e l dw a s o x i d i z e da 1 1 dc a r b o i l i z e d ，l e a d i i l gt ot h ef o 蛐a t i o no faf 撕l i l r ez o n e b u t 也i sf 越1 u r ez o n eh a d 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大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 王! 匦 导师签名：扣器一乞 兰年二月尘日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题意义及背景 随着工业技术的发展，对汽车、飞机的性能要求越来越高，降低结构重量成为提高 性能的重要措旋，镁合金和铝合金具有密度低、比强度高、比刚性高等优点。由于镁合 金和铝合金应用的广泛性和交叉性，以及在某些场合对其特殊性能的要求，将镁、铝及 其合金连接形成复合结构就显得十分必要，这样既可降低结构重量，又可节约材料”j 。 例如，在航天器中的航天发动机以及零部件中使用该复合结构可以减轻构件的质量，提 高结构的性能【2 引。可见，对镁合金和铝合金连接技术的研究就显得尤为重要。由于铝 合金和镁合金都属于共晶合金，而且线膨胀系数大、熔点较低、导热系数和比热容大， 在采用传统的熔焊焊接方法进行焊接时，容易产生热裂纹、气孔、合金元素烧损和焊缝 区软化等问题，故铝合金零件、镁合金零件及铝合金和镁合金的连接多采用机械连接。 因此，大大限制了铝合金和镁合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用。 现代连接技术是先进制造技术的重要组成部分，涉及内容相当广泛，包括冶金连接 ( 俗称焊接) 、机械连接等。其中焊接技术占主导地位，应用最为广泛。目前尝试将镁 合金和铝合金焊接的方法主要有t u n 窑s t e n i n e n g a s 焊( n g ) 、m e t a l i n e n o a s 焊( m i g ) 、 高能束焊( 激光束焊、电子束焊) 等，但都存在不可避免的缺点，在焊接熔合区形成大 量的脆性金属间化合物以及在热影响区容易产生变形和裂纹，使得焊接接头强度下降 4 。 前苏联于2 0 世纪5 0 年代出现了胶接点焊技术【，该技术是胶接工艺和点焊工艺 的有机复合。胶接点焊工艺最初主要应用于航空、航天工业领域的铝合金、钛合金、硼 一铝复合材料的连接上【9 ，现已应用于低碳钢、不锈钢、有机涂层或金属涂层钢板( 如汽 车用镀锌钢板) 和控轧钢板的连接。由于胶接点焊工艺具有应力分布均匀、静载荷强度 高、耐剥离、抗老化等优点，目前对其接头力学性能的研究得到了美、曰、英、德、中 等国学者的广泛重视，对其强度特性已有不少研究的报道。研究表明，胶焊( 胶接点焊) 技术在异种材料的连接上应用潜力很大，有相当广阔的应用前景，有可能实现用现有焊 接工艺无法完成的异种材料的连接1 9 】。 为了进一步提高胶焊技术的应用领域，获得满意的高质量的接头性能，本文提出了 采用激光连续熔化焊接与胶接相复合的新技术，即激光胶接焊技术，使其应用于镁合金 和铝合金异种材料的连接上。该技术不但具有传统胶接点焊的优点，同时实现了“线” 与“面”的相互结合，强度进一步提高：胶粘剂无需导电性，扩大了其应用范围。据估 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 计，激光胶接焊工艺可以节省1 5 到2 0 的生产成本，这种连接方法对于降低航行器的 生产成本具有很大的吸引力 1 们，同时也为今后异种材料的连接提供新的研究方向。 1 2 胶接点焊工艺 复合连接工艺是指将两种或两种以上的连接方法同时使用在同一连接部位进行连 接的方法。如常见的有胶接和铆接复合的复合连接( 即胶铆技术) 。“，胶接和螺栓连 接复合的复合连接，胶接和点焊复合的复合连接等等。由于复合连接复合了两种或两种 以上的连接方法，使多种连接方法之间相互补充，既充分发挥了各自的优点，又相互弥 补了各自的不足之处，使连接结构得到了充分的优化，提高了连接件的工作效率和使用 寿命【l “。胶接和其他连接方法的复合连接优点主要有：受撞击时在连接区得到一个均匀 的撞击功分布，因而比原来的点状连接刚度大得多，吸收的能量也大得多，防止被破坏； 胶层起到隔离绝缘作用，所以提高接头的抗腐蚀性( 包括应力腐蚀和电化学腐蚀) ；可 以通过调节胶层，平衡部件之间热膨胀的差别陋1 6 j 。 1 2 1 胶接点焊工艺的特点 胶接点焊技术是一种将点焊与胶接相结合的新颖、高效的复合连接工艺【 1 。它是指 在电阻点焊前或点焊完成后，在焊点周围的裂缝状间隙中加入胶粘剂的一种连接方法。 焊后加入胶粘剂的方法采用低粘度的胶粘剂，利用重力和毛细作用将间隙填满；膏状的 胶粘剂在点焊前填加，在点焊过程中胶粘剂会被挤出电极正下方区域而形成焊点。胶接 点焊接头的焊点和胶层共同承担载荷，其力学性能比单纯的电阻点焊结构或胶接结构优 越得多。另一方面，胶接点焊接头中胶粘剂的存在，使接头的抗腐蚀性能得到改善，疲 劳强度大大提高，冲击韧度和振动阻尼增大：与胶接接头相比，胶接点焊接头的优点在 于抗老化性能好、持久强度高，并能够抑制胶层的连续蠕变，从而大大提高接头的蠕变 强度“”j 。表1 1 为点焊、胶接和胶接点焊三种工艺优缺点的比较： 1 2 2 胶接点焊工艺的应用现状 由于胶接点焊结构具有以上优良的性能，胶接点焊技术在航空、航天领域获得了广 泛的应用1 9 j 。如前苏联在运输机、直升机的制造中采用了胶接点焊工艺；美国的一种生 产型直升机上采用了5 的胶接点焊框架结构，一种运输机的机身、门盖、油箱及一种 新低空支援战斗机的许多承载部分都采用了胶接点焊工艺；宇宙飞船探测器的铝壳及推 进剂箱、导弹壳体、导弹雷达跟踪装置的掩体等结构的制造中也应用了胶接点焊工艺。 现在，胶接点焊工艺在地面运输工业中已获得了应用，如铝制重型卡车驾驶舱、机动有 轨车和铁路运输中货车、冷藏车的车门等。胶接点焊技术在汽车工业领域的应用也日益 广泛，汽车车体和底盘结构的制造中已经采用了胶接点焊技术，日本己生产出全胶焊连 接的小轿车。 我国北京吉普汽车公司的汽车生产线上有胶接点焊工艺，二汽也正对这一工艺进行 开发研究。发电厂中防水、防气的密封室以及许多电子设备的框架和壳体也采用了胶接 点焊连接技术【8 】。 表1 1 点焊、胶接、胶焊的特点比较 t a b 1 1c o m p a r i s o no f c h 舭a c 把r i 蚵c so f s p o tw e l d i n 舀 a d h e s i v eb o n d i n g 锄ds p o t _ w e l db o n d i n g 焊接 胶接胶焊 应力均匀分布，无变形 应力分布均匀( 点焊接头有应力 采用内部热源，故能量集中 适于薄板连接集中) ，疲劳强度增大( 较点焊) 易于实现机械化、自动化 水密性、气密性好静载强度、抗剥离能力高，抗老 接头强度高，性能稳定 防振性能好化，持久性能较好( 较胶接) 成本低，经济性好 可实现异种金属的连接 可实现异种材料的连接 接头有良好的导电性 疲劳性能好工具简单，不需夹持具( 克服了 被粘材料性能不变胶接缺点) 接头持久性能优良 电、热绝缘性好由于密封性，可取消密封工序 结构重量轻( 弥补了点焊的不足) 耐热性能差( 2 5 肛3 0 0 ) ，胶 存在应力集中，疲劳强度差 层老化，持久性能差，抗冲击、 成本高，胶粘剂需具有导电性 焊接热使被焊件性能改变 抗剥离强度低，性能不稳定， ( 点焊不需要) 需进行变形校正 导电、导热性差 需对金属表面进行严格处理( 胶 被焊件厚度大时点焊强度低 工序复杂( 表面处理、备胶、接严格而点焊时不严格) 抗振动性差 涂胶、固化等) 胶粘剂会污染电极，挥发物污染 无密封性 需夹具、支撑和昂贵设备( 热工作环境 压室，平板压力机) ，受设备胶粘齐u 硬化需随焊接能量的变 不适合于异种材料的连接 尺寸限制，不用于大型构件的化而变化 连接 1 2 3 胶接点焊工艺的国内外研究状况 胶接点焊工艺的研究涉及高分子化学、物理化学、界面科学、材料科学等领域，是 门多学科交叉的科学。目前，对胶接点焊接头力学性能的研究得到了世界各国学者们 的广泛重视。 戴瑞玲、王玮【2 0 2 1 1 等人对胶接点焊接合技术的基本性能和工艺条件进行了研究，通 过正交试验确定了最佳的点焊工艺参数，并与点焊拉剪试件和胶接拉剪试件的静拉伸和 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 疲劳试验结果进行了比较分析，显示出了胶接点焊技术的优越性。同时，建立了胶焊单 搭接头的力学分析模型，得出了胶焊结构中胶层内的剪应力和剥离应力分布，对胶焊结 构进行了数值分析，所得到的应力分布与理论值吻舍得较好。常保华、史耀武口2 ”j 等人 通过试验对比考察了胶接、电阻点焊和胶接点焊接头的静拉伸剪切强度和断裂特征，采 用三维弹塑性有限元数值方法，比较分析了胶接点焊、点焊和胶接接头的应力分布，并 研究了焊点直径、焊点间距、板厚、板宽、搭接长度、胶粘剂厚度和弹性模量对胶接点 焊单搭接头中有效应力分布的影响。s m hd 订w i s h l 2 ”等人对胶接点焊的两种方式先 胶后焊和先焊后胶进行了试验比较，采用有限元分析了不同厚度钢板构成的胶接点焊接 头的应力分布以及钢板和铜板组成的胶接点焊异种接头的应力分布。r w m e s s l c r 3 2 1 利 用激光点焊代替电阻点焊，研究了不同厚度的铝a a 5 7 5 4 胶接点焊接头的静拉伸强度、 t 剥离强度和拉伸疲劳强度。m k e m a l 卸a l a k 【3 3 】也将激光点焊代替电阻点焊，通过非线 性有限元方法研究了铝、钢、钛胶接点焊异种接头的应力分布情况。 1 3 镁合金的机械连接方法 二战初期，由于连接技术的发展，镁合金第一次被用作结构材料。战后人们开始对 镁合金的连接方法进行了大量的研究，使得镁合金的应用领域目益扩大。 1 3 1 镁合金的胶接 镁合金可用于胶接连接，镁合金胶接已被广泛用于军用蒙皮、面板的连接中，并在 汽车装配件的原型连接中应用前景看好。 胶接技术适合于任意形状尺寸的镁合金与大部分材料的连接，其主要优点是接头表 面光滑且一次能实现大面积的连接。由于胶粘荆填充于两连接件表面之间，使易发生电 偶腐蚀的材料闯无点接触，从而防止接触腐蚀的产生。同时，中间层还具有良好的减振 性。因此，胶接适合于镁合金之间以及镁合金和其他异种金属间的连接。另外，由于胶 接件不会因产生应力而失效，从而胶接特别适用于高疲劳强度件的连接。因为它使应力 集中分散，而且胶粘剂低的弹性模量不允许应力像刚性连接点那样容易传递。 材料的耐腐蚀性与材料表面电动势有关，电动势高，耐腐蚀性差，反之则耐腐蚀性 好，镁的电动势处于高位，它对电腐蚀的敏感性远远高于其他金属3 引，因此，在处理镁 及其合金的胶接表面时，要高度注意其耐腐蚀性。引起镁合金腐蚀的最大危害物是水溶 液中的氯化物离子，同时还要防止其他电解液( 如强、弱酸等) 。但有两种酸例外，那 就是铬酸和氢氟酸，这两种酸基本不对镁合金形成腐蚀而且可提高其表面质量。因而， 这两种酸可用于镁合金胶接表面的处理剂，镁合金耐碱性相当好，在可控条件下，这种 优越的耐碱特性也被用于镁台金胶接表面的处理之中。 大连理工大学硕士学位论文 胶接件在加工、运输和储存过程中，表面会因氧化、油污、灰尘及其他杂质等而脏 化，胶接前必须清除干净。常用的表面清理方法有溶剂除脂、机械清理和化学处理等。 胶接类似油漆，可用于干净、裸露的镁合金工件的连接，但化学处理后的表面更为理想。 为了保证胶接件在恶劣环境下具有优良的抗腐蚀性，一些军用产品先镀阳极镀层，再喷 涂处理，然后胶接。由于胶粘剂的剪切强度往往高于镀层或涂料薄膜，所以表面层应该 很薄，反应生成物或阳极镀层厚度应小于或等于o 0 0 3 m m ，喷涂层厚度应小于或等于 0 0 0 8 m m 【3 5 】。电镀层和喷涂层厚度应严格控制，并要仔细清洗去除残留灰尘或不良熔覆 层。 常用的胶粘剂原则上都可以用来连接镁合金，但大多数需要加温固化。选一种不需 固化时间和加热的胶粘剂很重要。镁合金胶接接头的静拉伸剪切强度一般随搭接宽度、 工件厚度、加载方向以及胶粘剂种类的不同而发生变化。另外，其剪切强度也随试验温 度的变化而变化。其结果也会随所使用的胶粘剂发生变化，但趋势相同。改进的丙烯酸 双组分胶粘剂已开发出来，可在室温下胶接固化，在5 4 9 3 【3 5 1 具有很高的胶接强度， 在镁合金汽车铸件原型装配中有广阔的应用前景。 为了保证胶接质量，在实际胶接操作中，对温度、压力、湿度必须仔细控制才能保 证最佳效果。在生产中应定期进行拉伸、剪切、剥离试验，以保证所有参数能得到合理 控制。 1 3 2 镁合金的铆接 铆接是连接镁合金零部件的最为广泛的方法之一，其接头设计和工艺与其他金属类 似。在恶劣环境中使用的镁合金工件应仔细考虑铆钉间距、材料、大小以及封口胶的使 用情况等因素。 铆接中最常用的接头形式是搭接，当设计者允许在接头两侧使用衬板时也可以采用 对接。根据接头强度要求来选择铆钉排列方式，可以是单排或多排。一般情况下，被连 接金属与铆钉剪切强度应保持一致。如果接头出现破裂，应首先发生铆钉的剪切，丽不 是母材的拉伸或疲劳断裂。 铆钉中心线与连接板边缘间的距离至少为铆钉直径的2 5 倍。对于剪切面粗糙、呈 鳞状断口的材料建议取铆钉直径的3 倍。增加边距对于在振动条件下工作的工件尤为必 要。铆钉问在任何方向上的间距都不能小于其直径的3 倍。而对最大值没有严格要求。 只要能形成有效接头，任意大于3 倍直径的铆钉间距都可采用。对于水密性接头，通常 采用4 倍铆钉直径的间距；非水密性接头则采用1 0 倍铆钉直径的间距1 3 6 j 。另外，在连 接效果相同的前提下，通常建议采用大量的小铆钉，而不采用少量的大铆钉。 王恒：镁、铝异种金属激光陵接焊工艺的研究 连接镁合金最好采用铝合金铆钉。5 0 5 6 舢- h 3 2 与镁合金间几乎不发生电偶腐蚀， 因此这种材料的铆钉最适用。其次是6 0 5 3 a 1 t 6 1 和6 0 6 1 a 1 t 6 。铝合金铆钉冷拔后直径 可为8 m m ，5 0 5 6 a 1 h 3 2 合金冷却后效果类似于h 3 2 1 态。不同厚度的a z 3 1 b 板和不同 大小铆钉孔的承载强度计算公式如下，即 承载强度= 板厚铆钉直径k 。 其中，对于a z 3 1 b - o ，f h r u = 4 1 4 m p a ；对于a z 3 l b - h 2 4 ，fb 兀l = 4 6 9 m p a i ”j 。 铆钉孔可以采用钻孔或锪孔进行加工，其中最常用的是钻孔。对于航空零件，当母 材厚度大于l r r 吼时，也要求采用钻孔。镁合金板上冷拔铝合金铆钉的承载面积可以采 用实际孔径与板厚的乘积进行计算。为了防止被连接板由于超负荷而发生破坏，铆接设 备应采用挤压铆机，因为其推进力比气压铆锤更易控制。铆钉无螺纹部分长度通常为铆 钉直径的1 1 5 倍，这样可使铆钉头最小直径仅为铆钉直径的l 倍，高度为o 4 倍3 “。 闪光铆接可以用于镁合金的连接，其接头设计形式如图1 1 所示。机械沉头孔孔深 至少为1 3 l i i l ，底部圆柱形台阶的最小高度为0 3 8 m m 例，以保证与铆钉尺寸匹配。 板厚1 3 m m 左右的材料可以采用上连接板攻丝的闪光铆接，螺纹孔和铆钉坡口标 准张角为1 0 0 。p “。攻丝前，应先冲好或钻好铆钉孔，且孔径应略小于铆钉直径；攻丝 时，扩孔到标准尺寸。倒角圆孔将会减小边缘应力集中和接头疲劳破坏。攻丝必须在热 态下进行，使板材局部加热，其范围刚好达到攻丝尺寸。如果板材处于 王2 4 状态，加热 时间应有所限制，以避免局部淬火。例如，a z 3 l b - h 2 4 板材在4 2 3 k 温度下加热5 s 不 会发生淬火效应6 i 。 用顶部坡口张角为1 0 0 。的强化5 0 5 6 铝合金铆钉堵口连接a z 3 1 b h 2 4 板，其中接 头强度为平均接头抗拉强度除以1 5 后得到的理想值1 3 6 j 。如果条件稍有偏差，其值就会 发生较大变化。屈服载荷定义为在下列永久变形条件下单个铆钉的平均试验载荷：直径 小于或等于4 7 6 m m 的铆钉，永久变形为0 1 3 m m ；直径大于4 7 6 m m 的铆钉，永久变形 为铆钉直径的2 5 p 刮。 1 3 m m o 2( 0 1 0 f ec un ic 8 其他 如0 3 o 1 0 0 0 0 5 0 0 4 o 3 0 表2 26 0 6 1 铝合金化学成分( 质量百分比) t 曲2 2c h e m i c a lc o m p d s i 廿o no f a l6 0 6 1 ( i v i ) a 1 m g m ns j b a l o 8 1 2 0 1 50 m 8 f e c uc r其他 0 70 1 5 加40 0 4 一- o 3 5 o 1 5 2 3 实验方法 图2 3 试验所用的胶粘剂 f 培2 3a 曲e s i v eu s e di n 出e t e s t 2 3 1 实验准备 用裁板机将镁合金母材加工成6 0 m m 4 0 m m 1 7 m m ，6 0 舢4 0 m m x l 2 m m ， 7 5 n u n 4 0 m m 1 7 唧和7 5 衄x 4 0 咖1 2 衄四种尺寸规格；将铝合金母材加工成 6 0 m m 4 0 皿1 7 m m 和7 5 m m 4 0 m m o 8 衄两种尺寸规格。长6 0 m m 的母材用于拉伸 一1 4 大连理工大学硕士学位论文 剪切实验，长7 5 r n i i l 的母材用于剥离实验。实验前对接头要进行表面处理，其主要过程 为：首先进行机械处理，用2 2 0 捍碳化硅砂纸打磨板材的表面以去除氧化膜。然后用脱 脂棉沾丙酮溶剂进行擦拭，除去油污后，再用清洁的棉布擦拭，经过处理后的金属表面 具有高度的活性。然后对镁合金和铝合金母材表面进行化学处理。 镁合金母材的化学处理法为【5 6 】：在表2 3 配比的溶液中，于6 3 8 0 下浸蚀 5 1 0 m i n ，用水漂洗干净：再置于表2 4 配比的溶液中，于室温下浸蚀5 1 5 m i n ，用水 漂洗干净；在6 0 以下干燥。 铝合金母材的化学处理法为【删：在表2 5 配比的溶液中，于6 6 6 下浸蚀1 0 m i n ； 用4 0 流动的水漂洗1 屯i i l i n ；在6 0 的干燥箱中干燥。 表2 3 氢氧化钠溶液的配制 t a b 2 3p 化托t i o no f n a o hs o l 删o n 组分 质量份 水 1 2 氢氧化钠 1 表2 4 铬干一硝酸钙溶液的配制 t 曲2 4p r e p a r a t i o no f c 帕3 一c a n 0 3s o i u t i o n 组分 质量份 水1 2 3 铬干 2 4 硝酸钙 1 8 表2 5 硫酸- 重铬酸钠溶液的配制 t a b 2 5p r e l ，a r 撕o no f h 2 s 0 4 - n a 2 c r 2 0 7s o l l i t i o n 组分质量份 水 3 0 硫酸 1 0 重铬酸钠 l 2 3 2 实验程序 本实验采用透胶胶焊的形式，即先涂胶后焊接方式。处理后的金属表面应尽可能快 地进行涂胶，以免金属表面再度受到灰尘、湿气等的污染。涂胶前，把一定直径的直铜 丝放置在待涂板材的两侧( 在一定程度上可控制胶层的厚度) ，采用手工刷涂方式，在 搭接区域内涂上一定厚度的胶层。涂胶后，施加一定的压力以保证胶层厚度的均匀性和 控制胶层厚度与直铜丝一致，然后抽出铜丝。胶接件制成后，采用激光进行熔化焊接， 采用纯度为9 9 9 的高纯氩气作保护气体，焊接试板采用搭接方式，镁板在上铝板在下 放置，一次焊接成形，实现连续致密的连接。焊接完成后，在干燥箱中对激光胶接焊试 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 件进行直接加热固化，固化温度1 7 5 ，固化周期3 0m i n 。在固化的过程中施加一定的 压力，这将有利于排除胶粘剂固化反应产生的低分子挥发物以及胶层中残留的挥发性溶 剂。激光胶接焊试样示意图如图2 4 所示，接头的横截面如图2 5 所示。 激光焊缝 胶层 图2 4 激光胶接焊试样示意图 f i g2 4c o l l f | 窖 u r a t i 彻o f l 如e rw e l db d i n g 强m p l e 图2 5 激光胶接焊接头横截面图 f 蟾2 5c r o s s s e 甜o no f l 船e rw e l db o n m n g j o h 2 3 3 实验设备 采用的焊接设备为l w s 5 0 0 型y a g 固体脉冲激光器，激光实际输出功率4 0 0 w 如图2 6 所示。图2 7 所示为固化设备一电热恒温干燥箱。 大连理工大学硕士学位论文 图2 6 y a g 固体脉冲激光器 f i g 2 6y a g s o l i di m p u j s e1 鹊e r 图2 7 电热恒温干燥箱 f i g 2 7d r y m gc a b i i l e t 2 3 4 接头性能及微观组织分析 为了进行承载能力的对比试验，对激光胶接焊、激光焊和胶接试件进行拉伸剪切试 验。镁合金同种材料激光胶接焊拉伸剪切试验中上板镁合金的尺寸为 6 0 m m 4 0 i n m x l 2 衄，下板镁合金的尺寸为6 嘶l i n 4 0 衄1 7 衄，镁合金和铝合金异 种材料激光胶接焊拉伸剪切试验中上板镁合金的尺寸为6 m 4 0 m m 1 2 衄，下板铝 合金的尺寸为6 0 m m x 4 0 m m 1 7 衄。试件固化后在c s 孓- 2 2 0 5 型电子万能试验机上进行 拉伸剪切试验。每组试验结果三个值并取其平均值，比较试验结果并观察断裂位置。 为了测定激光胶接焊接头抵抗线应力的能力，对激光胶接焊试件进行t 剥离试验。 试验中由于较厚的板材不易弯折，且为非挠性材料，会造成影响抗剥离力的结果因素较 多，故t 剥离试验所采用的镁板和铝板厚度均较薄，镁合金同种材料激光胶接焊t 剥离 试验中镁合金板材的厚度均为1 2 删n ，镁合金和铝合金异种材料激光胶接焊t 剥离试验 中镁合金板材的厚度为1 2 m m ，铝合金板材的厚度均为o 8 i 啪。试样的具体尺寸如图 2 8 a 所示。试件固化后在c s s 一2 2 0 5 型电子万能试验机上进行t 剥离试验如图2 8 b 、 2 8 c 所示，剥离速度为5m 吲血n 。同时，为了对比激光胶接焊接头与胶接接头的抗剥离 能力，对与激光胶接焊相同工艺规范的胶接试件进行t 剥离试验，每组试验结果三个值 并取其平均值，比较试验结果并观察剥离断裂位置。 为了对比激光焊和激光胶接焊时的蒸汽形态，试验中采用c p l _ m s 2 5 k 高速摄像机， 图片分辨率为1 9 2 x 2 0 0 ，采集速度为1 0 7 2 帧，秒。通过数据线与电脑连接，拍摄时将图 像数据传输到电脑，经过软件处理将图像显示出来。 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 取固化后的激光胶接焊接头制备金相试样，根据异种材料焊接接头本质，不同的金 属采用不同的腐蚀液，氢氟酸溶液腐蚀镁合金，氢氧化钠溶液腐蚀铝合金，最后在光学 显微镜下进行组织观察。在非腐蚀状态下e p m a 1 6 0 0 型电子探针仪上进行元素分析。 激 光 焊 缝 粘 接 部 分 被剥离部分 a ) 尺寸图 b 1 剥离试件图 。) 剥离简图 图2 8 t 剥离示意图 f i g 2 8tp ld i a g 怕m m a 廿cs k e 曲 大连理工大学硕士学位论文 3 镁合金激光胶接焊工艺的研究 3 1 概述 复合连接工艺，即两种完全不同的连接工艺的组合，在薄板结构的组装中显示出了 相当大的潜力。采用组合工艺的方法，不仅能弥补各工艺单独使用时的不足，还能获得 其他更多的优越性。国内外学者利用焊接和胶接在性能上的互补性，采用胶接点焊技术 即采用电阻点焊与胶接的有机结合来实现金属之间的搭接连接。 为了进一步提高胶焊技术的应用领域，获得更高质量的接头性能，提出采用将激光 连续熔化焊接与胶接相复合的新技术，即激光胶接焊技术。该技术实现了“线”与“面” 的相互结合，相对于传统的胶接点焊，强度进一步提高。航空和公路运输等领域对连接 技术提出了越来越严格的要求，促进了胶焊技术的产生和发展。在焊接接头中加入胶粘 剂，可使接头疲劳强度大幅度提高，并能有效消除内表面的腐蚀现象。胶焊的另一优越 性是它可以代替铆接，降低构件的重量，这对于航空工业具有十分重要的意义。 本章首先研究了激光胶接焊工艺在镁合金同种材料中的应用。镁合金以其重量轻、 比强度和比刚度高、尺寸稳定性好、阻尼减震性好、以及易于回收利用等独特特性在结 构件和非结构件领域得到了广泛的应用，是目前国内外重新认识并积极开发的一种新型 材料，被誉为2 1 世纪最具生命力的新型环保材料。随着镁合金作为结构件的广泛应用， 必将面临焊接的问题。镁合金的焊接可采用大部分焊接方法。比如，电弧焊( t i g 、m i g 、 等离子电弧焊) 、高能量焊( 电子束焊、激光束焊) 、周相焊( 搅拌摩擦焊) 【5 7 】。试验 结果表明，镁合金激光胶接焊接头显示出了良好的力学性能。 3 2 激光胶接焊工艺可行性分析 选用了小功率固体激光焊接机对涂胶未固化的胶接件进行焊接。该种焊接设备为脉 冲式焊接机，焊接的热影响区很小，分析认为激光焊接结合胶接的可行性如下： 1 ) 固体激光焊接机的焊接方式为脉冲式，与其他焊接不同，焊接时的持续时间很短， 产生的热绝大部分只作用与熔化金属，而用于加热试件的热量很少，在脉冲间隔时 间里，就是一个散热的过程。 2 ) 由于焊接的持续时间远远小于被焊件的热传导时间，对除焊缝以外的胶层影响很少。 因此，对胶层不会产生太大的不利影响。 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 3 3 实验工艺参数 激光胶接焊镁合金，胶层的存在会给激光焊接镁合金带来一定的影响。有机胶粘剂 成分大部分为高聚物，而聚合物是由长分子链所组成，分子运动具有明显的松弛特征。 所以胶粘剂具有粘弹性和粘塑性等特点，它的力学行为强烈地依赖于温度和外力作用的 时间1 5 8 】。因此焊接参数调节不当，会对焊缝产生不良的影响。 为了便于研究方便，首先固定胶层厚度，取涂胶厚度为o 2 m m 。经过大量的试验， 发现采用如下焊接参数时，焊接一次成形，焊接稳定，焊缝成形良好。焊接工艺参数： 激光功率3 5 0 w ，离焦量0 5 m m ，焊接速度3 0 0 m m m h 保护气流量1 0 i m 毗 3 4 接头组织分析 试验研究发现，在一定的参数下，焊缝成形良好，焊缝组织结合紧密。 图3 1 所示为激光胶接焊a z 3 l b 焊缝的表面形貌，图3 2 为接头的宏观照片，可以 看到焊缝成形良好，无明显焊接缺陷，下板熔深约为1 衄。 图3 1 焊缝表面形貌 f i g 3 1s u 血c e 蜘) o 卯l p 】时o f w e l d 图3 2 接头宏观照片4 0 f i g 3 2m a c r op h a t o 卿ho f j o i m 大连理工大学硕士学位论文 图3 3 a 所示焊缝到母材的熔合区，此区域为图3 2 方框内，从图中可以看出热影响 区不明显，几乎不存在热影响区。图3 3 b 所示为焊缝区，焊缝区的晶粒比母材细小，这 与纯激光焊接镁合金所观察到的结果是一致的【5 9 1 。 曲熔合区4 0 0b ) 焊缝4 0 0 图3 3 激光胶接焊a z 3 1 b 的焊缝显微组织 f i g 3 3m i c r o s c o p i cs 廿u c t 哪s o f l 私e rw c l d b o n d i n g a z 3 l b 3 5 接头面元素分布 激光胶接焊新技术，存在两个核心问题。其一在激光热源的作用下，胶层受热分解 对焊接接头质量的影响，其二为激光热源对焊缝周围胶层的破坏程度。 为了弄清楚两个核心，利用电子探针( e l e c 昀np r o b em i c m a n a l y s i s ，e p m a ) 对接 头元素进行面分析，如图3 4 所示。图3 4 a 为表面形貌像，图3 4 b 、3 4 c 、3 4 d 分别仅 分柝m 叠、c 、o 元素。图3 4 b 白色为镁元索，可看到镁元素分布比较均匀，焊缝区与 母材的变化不明显，接头性能良好。胶粘剂的主要成分由c 、o 等元素组成，为了研究 胶层对接头的影响，对其进行c 、o 元素分析，图3 4 c 所示为c 元素的分布，可见焊缝 内无胶的存在，胶层并未对焊缝产生影响。激光胶接焊镁合金，在激光的作用下，母材 迅速受热，把热量传给胶层，胶粘剂由有机化合物组成，耐热性差，可承受温度低，在 这样高的能量密度、加热温度( 激光中心最高温度可达到上万摄氏度以上) 作用下，胶 层迅速受热分解，以气体形式逸出焊缝，不会影响焊缝组织的熔合。 镁合金激光焊接过程容易产生金属蒸汽，图3 5 a 显示了一个脉冲时间内典型激光蒸 汽云的形态。从图中可看出激光的蒸汽云由暗变亮，沿着激光入射方向升高，然后消散： 图3 5 b 显示的是镁舍金激光胶接焊蒸汽云的形态。在相同的焊接参数下，激光蒸汽云在 整个脉冲内都显示出了明显增大的趋势，蒸汽云呈蘑菇云形状放大，说明镁合金胶接试 王恒：镁、铝异种金属激光胶接焊工艺的研究 件焊接时会有更多的气体产生，这些气体主要由金属的剧烈蒸发以及胶的受热分解所引 起。 图3 4 d 所示为0 元素的分布，从o 的分布也可知焊缝内并无胶的存在，同时还可 发现，焊缝边缘胶层附近o 的含量要高于远离焊缝0 的含量，这是由于激光胶接焊接 头在焊接过程中短时高温作用导致焊缝附近的胶层炭化裂解，使其焊缝边缘附近存在胶 层失效区。 a ) 二次电子像4 0b ) m g 元素的面分布 c ) c 元素的面分布 d ) o 元素的面分布 图3 4 合金元素的面分布 f i g 3 4f ed i 矧b u t i o 啊o fa l l o ye l e m e n t s 在激光胶接焊镁合金试验条件下，因激光是高能量密度热源，使胶层失效区域很窄， 大约为焊缝边缘0 3 蚰范围内，与接头搭接长度的