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摘 要

由于镁和铁在固态和液态状态几乎不互溶，无法形成金属间化合物因此连接AZ31B合金和304不锈钢是一项具有挑战性的任务。本文研究采用添加铜箔的AZ31B合金与304不锈钢激光对接的可行性，并重点研究了AZ31B/304SS对接接头激光焊接过程中的组织和力学性能。结果表明，焊缝区的显微组织由等轴晶和许多白色颗粒组成。由于铜箔与AZ31B合金之间存在剧烈的共晶反应，焊缝区形成了大量的Mg、Cu、Mg-Cu-Al三元相。焊缝主要由熔化的铜箔和AZ31B合金形成。在不锈钢与焊缝的界面上有许多共晶相，对不锈钢具有良好的润湿效果。在AZ31B侧界面，共晶相逐渐减少，最终消失在AZ31B基体中。铜箔对接接头的最大抗拉强度可达133Mpa。对接接头沿焊缝与不锈钢之间的界面断裂。由于铜箔作为过渡的桥梁，使用铜箔中间层可以作为一种方法来实现对接连接AZ31B合金到304不锈钢。

关键词：激光焊接 铜箔 AZ31B/304SS对接接头 微观结构 组织力学性能

Effect of copper interlayer on the structure and properties of magnesium / steel welded joints

ABSTRACT

Since magnesium and iron are almost insoluble in solid and liquid, connecting AZ31B alloy and 304 stainless steel is a challenging task. This paper studies the feasibility of using AZ31B alloy with copper foil and 304 stainless steel laser jointing, and focuses on the microstructure and mechanical properties of AZ31B / 304SS butt joint laser welding process. The results show that the microstructure of the weld zone is composed of equiaxed crystals and many white particles. Due to the violent eutectic reaction between copper foil and AZ31B alloy, a large amount of Mg, Cu, Mg-Cu-Al ternary phases are formed in the weld zone. The weld is mainly formed by molten copper foil and AZ31B alloy. There are many eutectic phases on the interface between stainless steel and weld, which has a good wetting effect on stainless steel. At the AZ31B side interface, the eutectic phase gradually decreases and eventually disappears in the AZ31B matrix. The maximum tensile strength of the copper foil butt joint can reach 133Mpa. The butt joint fractures along the interface between the weld and the stainless steel. Since copper foil is used as a bridge for transition, it can be used as a method to achieve butt connection between AZ31B alloy and 304 stainless steel using a copper foil intermediate layer.

Key words: Laser welding ; Copperfoil ; AZ31B/304SS butt joints ; Microstructure ; Mechanical propert

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第1章 绪论 1

1.1课题研究的意义及背景 1

1.2激光焊接的基本原理 2

1.2.1激光焊接的原理 2

1.2.2激光焊的主要焊接参数 2

1.2.3激光焊接的优点 3

1.3镁/钢材料焊接技术国内外研究现状 3

1.4本文主要的研究内容 4

第2章 试验材料、设备及试验过程 5

2.1试验材料 5

2.2焊接参数 5

2.3微观组织分析试验 6

2.4接头力学性能试验 7

2.4.1拉伸试样制备 7

2.4.2拉伸试验设备及方法 7

第3章 镁/钢激光焊接工艺和微观组织 9

3.1焊缝宏观形貌分析 9

3.2AZ31B/304SS对接接头的微观结构 11

3.3本章小结 19

第4章 AZ31B/304SS对接接头的力学性能 20

4.1抗拉强度 20

4.2显微硬度 22

4.3本章小结 23

第5章 经济性分析 24

第6章 结论 25

参考文献 26

致谢 28

第1章 绪论

1.1课题研究的意义及背景

相比于众多的金属材料，镁的密度是最小的，尽管镁是最轻的金属材料，但镁及镁合金拥有众多的优点，比如导电性好、易于加工、易于回收、导热性好等。在钢铁和铝合金广泛应用之后，镁及镁合金逐渐发展起来成为第3金属材料，在汽车零部件制造、电子元件和航空等众多领域中，具有广阔的应用前景和非常重要的应用价值，被誉为“21世纪绿色结构材料”^[1]。在如今环保问题和结构轻量化技术的需求以及金属矿产资源日益缺乏的背景下，镁资源的丰富也逐渐受到重视，镁工业的发展得到了大力地推动，对镁及镁合金的科研研究已经成为了当下的世界性热点^[2]。中国的镁矿资源非常丰富，是镁资源大国，全球原镁产量的90％都在我国。我国的镁资源储量大、品种多且分布广，其高附加值的产品开发和规模化应用现在是国家的重要战略方向，但是我国的镁合金应用开发严重滞后，被低价出口的初级原料高达80％，造成资源的巨大浪费^[3]。由于技术开发的不足和一开始的不重视，我国对于镁合金的研究和应用水平与预期相比差距依然很大，仅仅以压铸和铸造为主，如汽车零部件、电子设备外壳等。通过使用镁合金制造来替代一些零部件可以大大减轻整个结构的重量。尤其是用镁合金代替汽车等运输工具中的钢铁件和铝合金来解决我国环境问题、汽车轻量化和能源紧张的问题，还可以加快拉动我国的镁合金产业发展^[4-6]。钢是应用在工业制造领域最广泛的金属结构材料，具有耐热性、塑韧性号、强度高等优点，因此结合镁合金和钢之间优点的混合结构设计制造作为零件轻量化的主要途径之一，在新能源汽车和航空航天等领域有着广泛的应用前景。比起传统的加工方法，激光焊接具有短流程、节能、质量高、效率高、能量密度高等特点，激光焊接是一个万能加工工具，它可以加工大部分的金属材料。激光焊接与当下热门的数字智能化加工工艺相结合，因此未来将成为工业制造系统共同的加工手段^[7,8]。目前许多传统制造中的工艺过程正在被激光加工技术积极渗透，因为其实现了机、电、光技术三者想结合，创造了一种新的制造技术^[9]。激光技工技术在欧美等发达国家已经非常成熟，形成了高新科学技术产业^[10]。因此，为了解决轻质镁/钢异种材料焊接，把激光加工技术应用到镁/钢异种材料热加工将有利于开拓镁/钢异种材料的应用。

1.2激光焊接的基本原理

1.2.1激光焊接的原理

激光是一种单色光，由于其高功率高能量的特性，激光束单位照射面积的能量可以超过10000000W/cm²。受热金属在激光束高能量的加热情况下会气化，气化产生的金属蒸气在熔化金属中会产生匙孔。然而当激光束没有杂光且波长单一时，匙孔在激光束能量密度为4000000W/cm²且波长单一时产生^[11]。激光焊接过程中，工件受到激光束的集中加热，焊接条件在热辐射量最少的环境下就能满足; 能够避免工件由于加热过度而导致变形。在焊接过程中不存在机具损耗、电极污染等问题是因为激光焊接的加热源是光斑，本质上工件和激光焊接设备未发生实质性的接触。由于激光束能量的密度以及功率非常高，在激光焊接过程中，金属在瞬时就完成了发生气化和熔化，母材收到由焊缝中心向四周传递的热量也就很少。而且焊后热影响区也因为激光束尺寸很小而变小，参考文献表明，激光焊接一些新能源汽车部分零件的热影响区在1-2 mm之间^[12]。

1.2.2激光焊的主要焊接参数

下列的几个焊接工艺参数在激光焊接生产制造中较为重要:

（1）激光功率。这是一个很重要的焊接热输入量参数，也就是激光的强度，其功率越大，待焊工件被加热速度越快，因此它决定着加热待焊工件的速度。

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