-
摘要: 采用钢板在上、镁板在下且添加胶层-镍箔辅助的激光焊接技术，对厚度1.5 mm的DP590双相钢和厚度1.4 mm的AZ31B镁合金进行焊接， 基于热力学计算选择添加箔片元素，分析接头焊缝形貌、显微组织与力学性能，并对接头熔池温度场和流场进行数值模拟. 结果表明，激光功率1 800 W，焊接速度30 mm/s，离焦量为 + 2 mm，流量为15 L/min的氩气保护的工艺条件下，添加镍箔实现了镁/钢冶金连接，同时添加胶层和镍箔，与单一添加镍箔相比，接头平均抗剪强度提高1.73倍；添加胶层，焊缝连续光滑， 镁侧熔池的熔化宽度增大，钢/镁横向结合面积增加，界面处横向和纵向的温度梯度降低，熔池流动速度提高，元素分布的均匀性得到改善，促进了界面元素相互扩散和冶金反应，因此钢/镁接头性能得到大幅提升.
-
0. 序言
节能减排、绿色和安全成为当今工业发展的主题.航空航天和汽车领域，轻量化技术的快速发展是提高能源利用率的有效措施之一[1-3]. 使用DP590双相钢和AZ31B镁合金的复合结构件代替单一钢结构件，减轻汽车重量，提高燃油利用率和节能减排，因此实现DP590双相钢和AZ31B镁合金的有效连接具有重要的现实意义[4]. 然而实现钢和镁的有效连接充满巨大的挑战[5].一方面，纯铁和纯镁的熔点分别为1 808和922 K，而镁的沸点为1 363 K，低于铁的熔点，导致焊接过程中镁合金容易发生气化和产生飞溅，从而影响接头性能.另一方面，根据Fe-Mg相图，铁和镁之间几乎不发生固溶，不能产生金属间化合物. 因此需要添加中间元素实现钢和镁冶金结合；另外针对钢和镁的物理性质差异，需要考虑添加胶层，减缓热量钢/镁层间热量传递，提高焊接工艺的稳定性[6].
国内外学者在镁/钢异种金属焊接方面开展了较多工作.Tan等人[7]研究了不同厚度铝中间层对镁/钢接头微观结构和力学性能的影响，发现铝中间层促进镁/钢冶金结合，在镁熔合区-钢界面产生不同厚度的Fe-Al反应层；Liu等人[8]研究了AZ31B和Q235钢添加铜夹层的激光-TIG搭接焊，发现熔融镁合金在钢表面上的润湿性得到改善，金属间化合物Mg2Cu在接头和界面呈现不同形状结构；Song等人[9]研究镁/钢添加镍夹层激光-钨极气体保护焊，发现添加镍夹层改善镁/钢的焊接性；Cao等人[10]通过冷金属转移(CMT)电弧研究了锌涂层对镁/钢焊接过程的影响，发现锌涂层改善液态镁在钢表面的润湿性；蒋健博等人[11]发现添加胶层使得镁/铝焊接接头的熔池组织晶粒得到细化；Wang等人[12]对6061铝合金和AZ31B镁合金进行激光胶接焊，发现由于激光焊接和胶粘剂的复合作用，焊接接头表现出比仅用激光焊接和胶粘剂的接头更好的性能；任大鑫等人[13]通过镁合金激光胶接焊和激光焊接的对比分析，发现添加胶层增加焊接试件对对激光的吸收率；Ren等人[14]通过对AZ61进行重叠激光焊接、粘接和激光和粘剂复合焊接，发现激光和胶粘剂复合焊接接头比激光焊接接头或粘合剂粘合接头具有更高的拉伸剪切破坏力，胶粘剂改善焊缝的应力分布；王红阳等人[15]研究发现，添加胶粘剂增强熔池内部液态金属的流动性，促进熔池内部异质金属之间冶金反应和相互混合；Liu等人[16]研究镁与铝合金激光-TIG混合焊接过程中胶粘剂对电弧行为的影响，发现添加胶粘剂增加激光钥匙孔内的压力，电弧等离子体的电子温度下降，提高焊接效率，增加焊接熔深；周惦武等人[17]以钢/铝为研究对象分别进行激光焊接和激光胶接焊，发现激光胶接焊时，等离子体颜色明亮，形态密度大，熔池宽度两侧熔融态的铝体积分数增多，钢/铝横向结合面积增大. 上述研究是单一添加夹层或者是胶层，而关于同时添加夹层和胶层对钢/镁接头组织和性能影响，特别是以镍箔作为中间夹层的研究，目前很少见到相关报道.
文中采用钢板在上、镁板在下且添加胶层-镍箔辅助的激光焊接技术，对厚度1.5 mm的DP590双相钢和厚度1.4 mm的AZ31B镁合金进行焊接，基于热力学计算选择添加箔片元素，分析接头焊缝形貌、显微组织与力学性能，并对接头熔池温度场和流场进行数值模拟. 试验结果为实现钢/镁的良好结合提供新的研究思路和理论支撑，为汽车轻量化的发展提供重要的试验基础.
1. 试验方法
试验材料选用DP590双相钢和AZ31镁合金，其板厚尺寸分别为100 mm × 30 mm × 1.4 mm和100 mm × 30 mm × 1.5 mm，添加胶层为汽车用胶，添加纯镍箔，其厚度0.1 mm.试验用双相钢和镁合金的主要化学成分见表1.
表 1 母材化学成分(质量分数，%)Table 1. Chemical composition of base material材料 Al Zn Mn Si C S P Fe Mg DP590 0.02 — 1.60 0.0446 0.068 0.015 0.011 Bal — AZ31B 3.12 0.95 0.15 0.10 — — — 0.03 余量 采用YLS-4000-CL型光纤激光器作为焊接热源，最大输出功率为4 000 W，激光波长为1070 nm，连续输出激光模式为TEM00，抛物反射镜聚焦，焦距镜长200 mm，焦斑直径0.4 mm，光束发散角α < 0.15°.焊接前，首先用不同目数的砂纸对双相钢和镁合金的待焊表面，进行打磨去除表面的氧化膜，用丙酮清洗去除表面的油污. 采用钢板在上镁合金板在下的搭接方式，搭接长度为30 mm. 添加胶层时，为消除胶层和镍箔之间的高度差以及保证胶层涂敷的均匀性，采用镍箔一侧涂敷胶层，之后对焊接试样施加一定的压力，并在常温下固化24 h. 添加镍箔以及同时添加镍箔和胶层的焊接示意图分别如图1和图2所示. 以获得良好的焊缝表面质量为目标，优化的焊接工艺参数如表2所示.
表 2 焊接工艺参数Table 2. Welding parameters激光功率P/W 离焦量L/mm 焊接速度v/(mm·s−1) 氩气的流速Q/(L·min−1) 1 800 + 2 30 15 焊后将焊接接头切割，依次进行镶嵌、研磨和抛光等制成标准金相试样，钢侧采用4%的硝酸酒精进行腐蚀，镁侧采用苦味酸溶液(15 mL乙酸 + 50 mL酒精 + 3 g苦味酸 + 5 mL水)进行腐蚀. 采用OLYMPUS DSX510型光学显微镜(OM)、Quanta 250 FEG型扫描电子显微镜(SEM)、对焊接接头的微观形貌进行观察，采用An ESCALAB 250 type energy-dispersive X-ray spectrometry(EDS) and Rigaku Rapid IIR type Micro-region X-ray diffraction (micro-XRD)分析接头的化学成分和相组成.拉伸试验用试件按照GB/T6396—2008标准制备，采用Css—225型万能材料试验机测试焊接接头拉伸剪切强度，拉伸结果取3个试样的平均值.
2. 结果与分析
2.1 焊缝表面形貌
图3为钢/镁接头焊缝表面形貌. 发现不同激光功率条件下，单一添加镍箔，焊缝表面出现明显飞溅和塌陷，焊缝不连续(图3a)；同时添加镍箔和胶层，飞溅和塌陷明显减少，激光功率1 800 W时，焊缝表面呈鱼鳞状，焊缝成形性良好. 这是因为高能量密度激光的加热作用下，上层双相钢熔化，通过镍箔，将热量传递到下层镁合金，由于镁的沸点远低于钢的熔点，镁燃烧和飞溅，形成镁蒸气并增大镁侧熔池向上的压力，随着压力增大，镁蒸气向上喷出，形成塌陷；而同时添加镍箔和胶层，胶层受热熔化，吸收一部分热量，此时传递到镁合金表面的热量减少，减轻下层镁合金烧损，塌陷减少，此外焊接过程稳定，焊缝形貌得到改善[18].
![]()
图 3 钢/镁接头焊缝形貌Figure 3. Shape of weld seam in steel/magnesium joint. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer2.2 接头性能
对钢/镁接头进行剪切试验，发现添加镍箔试样的平均抗剪强度为24.22 MPa；同时添加镍箔和胶层，平均抗剪强度为42 MPa，与单一添加镍箔相比，接头平均抗剪强度提高1.73倍. 图4给出了钢/镁接头水平方向的硬度分布，可以看出，沿着镁合金母材(BM)、热影响区(HAZ)到熔合区(FZ)，接头硬度先增加后减小，镁合金没有明显软化，同时添加镍箔和胶层，与单一添加镍箔相比较，接头熔合区硬度降低.
2.3 接头微观组织
图5和图6分别为钢/镁接头微观组织，图7为接头元素面分析结果. 图5和图6中各点的元素成分如表3所示，发现单一添加镍箔，熔池及附近区域出现大量Mg-Ni化合物；同时添加镍箔和胶层，熔池产生Mg-Ni相和Fe-Ni相混合区. 图8为镁侧熔池横截面SEM图，发现同时添加镍箔和胶层，相对单一添加镍箔而言，焊缝熔化宽度增大.
表 3 EDS点成分分析结果(原子分数，%)Table 3. Results of EDS point composition analysis位置 Fe Ni Al Mg 可能相 P1 0.93 3.25 1.42 94.40 α-Mg P2 78.09 18.83 0.13 2.95 Fe + FeNi3 P3 0.45 0.08 1.41 98.06 α-Mg P4 0.44 6.50 1.65 91.41 α-Mg P5 2.19 9.37 1.88 86.56 α-Mg + Mg2Ni P6 0.94 4.33 1.26 91.71 α-Mg P7 0.74 4.09 1.21 92.59 α-Mg + Mg2Ni P8 56.42 11.31 2.49 25.91 Mg2Ni + FeNi3 ![]()
图 5 钢/镁添加镍箔微观组织Figure 5. Microstructure of steel/Mg added Ni foil. (a) overall organization of the joint with the addition of nickel foil; (b) partial enlargement of A area; (c) partial enlargement of B area![]()
图 6 钢/镁添加镍箔和胶层微观组织Figure 6. Microstructure of steel/Mg added Ni foil and glue layer. (a) overall organization of the joint with the addition of a nickel foil glue layer; (b) partial enlargement of C area; (c) partial enlargement of D area![]()
图 7 钢/镁添加镍箔和同时添加镍箔和胶层元素分布Figure 7. Distribution of elements in steel/Mg with Ni foil and with both Ni foil and glue layer. (a) addition of nickel foil element distribution; (b) addition of nickel foil and glue layer element distribution![]()
图 8 镁侧熔池横截面SEM图Figure 8. Cross-sectional SEM image of magnesium side melt pool. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer2.4 热力学计算
为实现钢/镁冶金结合，需要添加中间层元素，文中使用编写的Java程序进行热力学计算，对添加元素进行选择设计，基于Miedema模型[19]计算二元体系的标准摩尔生成焓，即
$$ \begin{aligned} &\Delta H_{1,2}= \\ &f_{1,2} \frac{x_{1}\left[1 + \mu_{1} x_{2}\left(\varphi_{1} - \varphi_{2}\right)\right] x_{2}\left[1 + \mu_{2} x_{1}\left(\varphi_{2} - \varphi_{1}\right)\right]}{x_{1} V_{1}^{2 / 3}\left[1 + \mu_{1} x_{2}\left(\varphi_{1} - \varphi_{2}\right)\right] + x_{2} V_{2}^{2 / 3}\left[1 + \mu_{2} x_{1}\left(\varphi_{2} - \varphi_{1}\right)\right]} \end{aligned} $$ (1) $$ \mathop f\nolimits_{1,2} = \frac{{2p\mathop V\nolimits_1^{2/3} \mathop V\nolimits_2^{2/3} \left[q/p\mathop {\left(\Delta \mathop n\nolimits_{ws}^{1/3} \right)}\nolimits^2 - \mathop {(\Delta \varphi )}\nolimits^2 - \alpha (r/p)\right]}}{{\mathop {\left(\Delta \mathop n\nolimits_{ws}^{1/3} \right)}\nolimits_1^{ - 1} + \mathop {\left(\Delta \mathop n\nolimits_{ws}^{1/3} \right)}\nolimits_2^{ - 1} }} $$ (2) 式中：∆H为二元体系的标准摩尔生成焓；xi为体系中各组分的摩尔分数；φi，nws和V分别为电负性、电子密度和摩尔分数的参数；q，r，
$ \mu $ ，a，p是经验常数.Toop模型[20]是一个从Miedema模型发展而来的扩展不对称模型，通过该模型计算Ni-Mg-Fe-Al四元系统的吉布斯自由能以及各个组元的化学势.
$$ \begin{aligned} &G^{E}=\frac{x_{2}}{1-x_{1}} G_{12}^{E}\left(x_{1}, 1-x_{1}\right)+\frac{x_{3}}{1-x_{1}} G_{13}^{E}\left(x_{1}, 1-x_{1}\right)+\\ &\frac{x_{4}}{1-x_{1}} G_{14}^{E}\left(x_{1}, 1-x_{1}\right)+ \left(x_{2}+x_{3}\right)^{2} G_{23}^{E}\left(\frac{x_{2}}{x_{2}+x_{3}}, \frac{x_{3}}{x_{2}+x_{3}}\right)+\\ &\left(x_{2}+x_{4}\right)^{2} G_{24}^{E}\left(\frac{x_{2}}{x_{2}+x_{4}}, \frac{x_{4}}{x_{2}+x_{4}}\right)+ \left(x_{3}+x_{4}\right)^{2}\\& G_{34}^{E}\left(\frac{x_{3}}{x_{3}+x_{4}}, \frac{x_{4}}{x_{3}+x_{4}}\right) \end{aligned} $$ (3) $$ \mathop G\nolimits_m = \mathop G\nolimits^{ID} + \mathop G\nolimits^E $$ (4) $$ \mathop \mu \nolimits_i = \frac{{\partial \mathop G\nolimits_m }}{{\partial \mathop x\nolimits_i }} $$ (5) $$ \mathop G\nolimits_{12}^E = \Delta \mathop H\nolimits_{12} [1 - \left(\frac{1}{{\mathop T\nolimits_{m,1} }} + \frac{1}{{\mathop T\nolimits_{m,2} }}\right)/14] $$ (6) $$ G^{I D} = x_{1} G_{1}^{*} + x_{2} G_{2}^{*} + x_{3} G_{3}^{*} + R T\left(x_{1} \ln x_{1} + x_{2} \ln x_{2} + x_{3} \ln x_{3}\right)$$ (7) 式中：G E和GijE分别为三元和二元系统的摩尔过剩吉布斯自由能；Gm和GID为三元系统的吉布斯自由能和理想溶液的吉布斯自由能近似值；Tm为组分的熔点；G*为组分的摩尔自由能；R为理想气体常数；μi为组分的化学势. 文中采用的参数列于表4.
表 4 热力学计算过程中使用的元素参数Table 4. Elemental parameters used in the thermodynamic calculation process元素 熔点${ {{T} }_{\text{m} } }{\text{/K} }$ 电子密度${{n}}_{{\text{WS}}}^{{\text{1/3}}}{\text{/d}}{\text{.u}}{\text{.}}$ 电负性$\varphi {\text{/V}}$ 经验常数$\mu$ 摩尔分数${ {{V} }^{ {\text{2/3} } } }{\text{/c} }{ {\text{m} }^{\text{3} } }$ 经验常数$R/P$ Ni 1 726.15 1.75 5.20 0.04 3.52 1.0 Mg 921.15 1.17 3.45 0.1 5.81 0.4 Fe 1 811.15 1.77 4.93 0.04 3.69 1.0 Ti 1 933.15 1.52 3.80 0.04 4.82 1.0 Cu 1 356.15 1.47 4.45 0.04 3.70 0.3 Ti-Mg，Cu-Fe，Ni-Fe，Ni-Mg，Cu-Mg，Ti-Fe的标准摩尔生成焓，计算结果如图9所示. 发现Ti-Fe和Cu-Mg的生成焓变为负值，即Ti-Fe和Cu-Mg可以相互反应生成化合物或固溶体，但是Ti-Mg和Cu-Fe的生成焓变为正值，即Ti-Mg以及Cu-Fe之间不能相互反应，选择Ti和Cu作为中间元素，无法实现钢/镁双向冶金结合；而Ni-Fe和Ni-Mg的生成焓变均为负值，即Ni与Fe和Mg之间均可以发生反应形成对应的化合物或固溶体，可以实现钢/镁双向冶金结合，另外Ni元素还可以提高焊接接头的强度、延展性和韧性[21]，这是文中选用镍作为箔片添加元素的重要原因.
图10为Fe-Ni-Mg-Al四元体系热力学的计算结果. 根据图10a，可以看出Fe-Mg的标准摩尔生成焓为正值，即Fe-Mg之间不能发生反应，而Fe-Al相的生成焓最低，即Fe-Al相易生成，然而界面形成的相主要是FeNi相和MgNi相，这是由于激光加热阶段，上层钢熔化，下层镁母材里面的铝向上扩散，由于FeAl形成焓低，所以FeAl比FeNi和MgNi易生成，因此界面形成薄的FeAl反应层，如图11所示. 图10b ~ 10d分别为Fe，Mg和Al原子的化学势.根据图10b，当体系中Fe原子的含量一定时，Fe原子化学势沿着Ni原子含量的增加方向减小，在降低化学势的驱动下，Fe原子向Ni原子扩散.根据图10c，当体系Mg原子的含量一定时，Mg原子的化学势沿着Ni原子含量增大的方向降低，因此Mg原子向Ni原子扩散. 根据图10d，发现当体系中Ni原子含量较少时，Al原子的化学势向Fe原子含量增大的方向降低，因此在降低化学势的驱动下，Al原子向Fe原子扩散. 图10e为Fe-Ni-Al-Mg体系中Al原子的化学势，可以看出：当体系中Ni原子的含量较高时，Al原子向Ni原子扩散，所以Ni原子吸引更多的Al原子聚集在界面.图10f为Fe-Ni-Al-Mg体系的吉布斯自由能计算结果，可以看出，吉布斯自由能随着Al原子含量的升高而降低，计算结果见表5所示，可以得出随着Ni原子含量增加，界面容易产生金属间化合物.
表 5 1 300 K不同Al原子含量四元体系的吉布斯自由能Table 5. Gibbs free energy of quaternary systems with different Al content at 1 300 KNi Al Fe 吉布斯自由能Gm/(kJ·mol−1) 0.539 0.001 0.43 −91.934 0.101 0.33 −98.269 0.588 0.102 0.28 −98.293 0.152 0.23 −100.579 0.639 0.251 0.08 −103.657 0.301 0.03 −104.547 ![]()
图 10 热力学计算结果Figure 10. Thermodynamic calculation results. (a) Standard molar generation enthalpy for binary systems; (b) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Fe; (c) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Mg ; (d) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Al; (e) chemical potential of Al in the Fe-Ni-Al-0.03Mg system; (f) free energy of the Fe-Ni-Al-0.03Mg system![]()
图 11 焊接接头线扫描结果Figure 11. Welded joint line scan results. (a) scanning direction; (b) scanning results2.5 温度场和流场数值模拟
为探索添加胶层在钢/镁焊接中的作用，采用COMSOL软件对镁/钢接头温度场和流场进行数值模拟. 发现单一添加镍箔(图12)，等值面稀疏，温度梯度大；同时添加镍箔和胶层，等值面密集，温度梯度降低. 图13为镁侧熔池激光直接作用区、熔池右边界和熔池下边界的热循环计算结果，发现同时添加镍箔和胶层，由于胶层熔化吸收热量，导致激光直接作用区的峰值温度降低，单一添加镍箔和同时添加镍箔和胶层，焊接接头的纵向温度梯度分别为305.36 K (1 297.03 K−991.67 K)和242.83 K(1224.86 K−982.03 K)，横向温度梯度分别为328.47 K (1 297.03 K−968.56 K)和77.59 K (1 224.86 K−1147.27 K). 对比钢/镁界面元素分布(图7)，发现同时添加镍箔和胶层，元素分布相对均匀，这与刘黎明等人[18]的报道一致.基于温度场模拟结果，推测胶层降低激光直接作用区的峰值温度，降低界面的横向以及纵向温度梯度，利于改善元素分布的均匀性.
![]()
图 12 温度场模拟等值面图Figure 12. Equivalent surface diagram of temperature field simulation. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer![]()
图 13 温度场模拟热循环结果Figure 13. Temperature field simulation of thermal cycling results. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer图14显示钢/镁熔池速度场模拟结果.发现单一添加镍箔，在热浮力、表面张力以及重力的作用下，熔融液体从激光热源中心向边缘流动并返回到底部，左右流动情况基本对称，钢侧形成涡流，并且随着激光热源逐渐靠近截面，流速呈现先增大后减小的趋势，0.25 s达到最大值，即激光热源到达该截面，由于激光热源的靠近，热输入增加，导致熔池中心与熔池边界的温度梯度增加，从而导致熔池所受的表面张力增加，即马兰戈尼效应得到加强，但增大熔池的流动速度之后，由于截面热输入降低，熔池中心和熔池边界的温度梯度降低，导致马兰戈尼效应减弱，流动速度降低[22]. 同时添加镍箔和胶层，由于胶层的熔点以及沸点较低，0.2 s时，胶层受热汽化，所以液体流动的方向由胶层向激光热源中心偏转. 由于此时熔池所受的热浮力增大，所以熔池的流动速度相比较单一添加镍箔明显增大.0.21 s时，由于胶层汽化导致胶层上方的压强变小，此时熔池流动的方向发生变化，由热源中心向胶层方向偏转，并且在胶层正上方流动速度最大达到4.7 mm/s. 从0.23 s开始，由于胶层蒸发，此时激光热源中心左右两侧向下传热介质均为镍箔，所以此时熔池的流动情况与添加镍箔相差不大，但是由于惯性，添加胶层熔池的流动速度略微大于只添加镍箔熔池的流动速度.0.37 s时，由于激光热源远离截面，导致截面处热输入降低，熔池中心与熔池边界的温度梯度降低，导致熔池所受的表面张力减小，即马兰戈尼效应减弱，熔池的流动速度降低[23-24].此时熔池中的液体在重力的作用下，向下流动，由于同时添加镍箔和胶层，熔池所受向下的作用力增大，熔池流动的速度明显大于单一添加镍箔，这也与刘黎明等人[18]得到的结果一致.基于流场模拟结果，可以认为，同时添加镍箔和胶层，推测熔池流动速度增大，促进界面元素的相互扩散和冶金反应.
![]()
图 14 速度场模拟结果Figure 14. Velocity field simulation results. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer3. 结论
(1) 激光功率1 800 W，焊接速度30 mm/s，离焦量为 + 2 mm，气体流量为15 L/min的氩气保护的工艺条件下，添加镍箔可以实现镁/钢冶金连接，同时添加胶层和镍箔，与没有添加胶层相比，接头平均抗剪强度提高1.73倍.
(2) 添加胶层，焊缝连续光滑，镁侧熔池的熔化宽度增大，钢/镁横向结合面积增加，界面横向和纵向温度梯度降低，熔池流动速度提高，元素分布均匀性得到改善，促进界面元素相互扩散和冶金反应，因此同时添加胶层和镍箔条件下镁/钢接头性能得到大幅提升.
-
![]()
图 3 钢/镁接头焊缝形貌
Figure 3. Shape of weld seam in steel/magnesium joint. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer
![]()
图 5 钢/镁添加镍箔微观组织
Figure 5. Microstructure of steel/Mg added Ni foil. (a) overall organization of the joint with the addition of nickel foil; (b) partial enlargement of A area; (c) partial enlargement of B area
![]()
图 6 钢/镁添加镍箔和胶层微观组织
Figure 6. Microstructure of steel/Mg added Ni foil and glue layer. (a) overall organization of the joint with the addition of a nickel foil glue layer; (b) partial enlargement of C area; (c) partial enlargement of D area
![]()
图 7 钢/镁添加镍箔和同时添加镍箔和胶层元素分布
Figure 7. Distribution of elements in steel/Mg with Ni foil and with both Ni foil and glue layer. (a) addition of nickel foil element distribution; (b) addition of nickel foil and glue layer element distribution
![]()
图 8 镁侧熔池横截面SEM图
Figure 8. Cross-sectional SEM image of magnesium side melt pool. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer
![]()
图 10 热力学计算结果
Figure 10. Thermodynamic calculation results. (a) Standard molar generation enthalpy for binary systems; (b) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Fe; (c) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Mg ; (d) chemical potentials of Fe-Ni-Mg-0.03Al system for Al; (e) chemical potential of Al in the Fe-Ni-Al-0.03Mg system; (f) free energy of the Fe-Ni-Al-0.03Mg system
![]()
图 11 焊接接头线扫描结果
Figure 11. Welded joint line scan results. (a) scanning direction; (b) scanning results
![]()
图 12 温度场模拟等值面图
Figure 12. Equivalent surface diagram of temperature field simulation. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer
![]()
图 13 温度场模拟热循环结果
Figure 13. Temperature field simulation of thermal cycling results. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer
![]()
图 14 速度场模拟结果
Figure 14. Velocity field simulation results. (a) adding nickel foil; (b) adding nickel foil and glue layer
表 1 母材化学成分(质量分数，%)
Table 1 Chemical composition of base material
材料 Al Zn Mn Si C S P Fe Mg DP590 0.02 — 1.60 0.0446 0.068 0.015 0.011 Bal — AZ31B 3.12 0.95 0.15 0.10 — — — 0.03 余量 
下载: 导出CSV
表 2 焊接工艺参数
Table 2 Welding parameters
激光功率P/W 离焦量L/mm 焊接速度v/(mm·s−1) 氩气的流速Q/(L·min−1) 1 800 + 2 30 15
下载: 导出CSV
表 3 EDS点成分分析结果(原子分数，%)
Table 3 Results of EDS point composition analysis
位置 Fe Ni Al Mg 可能相 P1 0.93 3.25 1.42 94.40 α-Mg P2 78.09 18.83 0.13 2.95 Fe + FeNi3 P3 0.45 0.08 1.41 98.06 α-Mg P4 0.44 6.50 1.65 91.41 α-Mg P5 2.19 9.37 1.88 86.56 α-Mg + Mg2Ni P6 0.94 4.33 1.26 91.71 α-Mg P7 0.74 4.09 1.21 92.59 α-Mg + Mg2Ni P8 56.42 11.31 2.49 25.91 Mg2Ni + FeNi3
下载: 导出CSV
表 4 热力学计算过程中使用的元素参数
Table 4 Elemental parameters used in the thermodynamic calculation process
元素 熔点 ${ {{T} }_{\text{m} } }{\text{/K} }$ 电子密度 ${{n}}_{{\text{WS}}}^{{\text{1/3}}}{\text{/d}}{\text{.u}}{\text{.}}$ 电负性 $\varphi {\text{/V}}$ 经验常数 $\mu$ 摩尔分数 ${ {{V} }^{ {\text{2/3} } } }{\text{/c} }{ {\text{m} }^{\text{3} } }$ 经验常数 $R/P$ Ni 1 726.15 1.75 5.20 0.04 3.52 1.0 Mg 921.15 1.17 3.45 0.1 5.81 0.4 Fe 1 811.15 1.77 4.93 0.04 3.69 1.0 Ti 1 933.15 1.52 3.80 0.04 4.82 1.0 Cu 1 356.15 1.47 4.45 0.04 3.70 0.3
下载: 导出CSV
表 5 1 300 K不同Al原子含量四元体系的吉布斯自由能
Table 5 Gibbs free energy of quaternary systems with different Al content at 1 300 K
Ni Al Fe 吉布斯自由能Gm/(kJ·mol−1) 0.539 0.001 0.43 −91.934 0.101 0.33 −98.269 0.588 0.102 0.28 −98.293 0.152 0.23 −100.579 0.639 0.251 0.08 −103.657 0.301 0.03 −104.547
下载: 导出CSV
-
[1] Mansoor B, Mukherjee S, Ghosh A. Microstructure and porosity in thixomolded Mg alloys and minimizing adverse effects on formability[J]. Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2009, 512(1-2): 10 − 18.
[2] Tao T, Liu J S, Zhou D W, et al. Microstructure and mechanical properties of laser welding of AZ31B magnesium alloy and DP590 dual-phase steel with concave groove joint[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2021, 72: 227 − 239. doi: 10.1016/j.jmapro.2021.10.024
[3] Liu L M, Wang S X, Zhao L M. Study on the dissimilar magnesium alloy and copper lap joint by TIG welding[J]. Materials Science and Engineering A-Structural Materials Properties Microstructure and Processing, 2008, 476(1-2): 206 − 209.
[4] Tao T, Zhou D W, Liu J S, et al. Improvement of laser welded joint properties of AZ31B magnesium alloy to DP590 dual-phase steel produced by external magnetic field[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 79: 270 − 283. doi: 10.1016/j.jmapro.2022.04.069
[5] Patel V K, Bhole S D, Chen D L. Characterization of ultrasonic spot welded joints of Mg-to-galvanized and ungalvanized steel with a tin interlayer[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2014, 214(4): 811 − 817.
[6] 李永兵, 马运五, 楼铭, 等. 轻量化多材料汽车车身连接技术进展[J]. 机械工程学报, 2016, 52(24): 1 − 23. doi: 10.3901/JME.2016.24.001 Li Yongbing, Ma Yunwu, Lou Ming, et al. Advances in lightweight multi-material automotive body joining technology[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(24): 1 − 23. doi: 10.3901/JME.2016.24.001
[7] Tan C W, Chen B, Song X G, et al. Influence of Al Interlayer Thickness on Laser Welding of Mg/Steel[J]. Welding Journal, 2016, 95(10): 384 − 394.
[8] Liu L M, Qi X D. Effects of copper addition on microstructure and strength of the hybrid laser-TIG welded joints between magnesium alloy and mild steel[J]. Journal of Materials Science, 2009, 44(21): 5725 − 5731.
[9] Song G, Li T T, Zhang Z D, et al. Investigation of unequal thickness Mg/steel butt-welded plate by hybrid laser-tungsten inert gas welding with a Ni interlayer[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2017, 30: 299 − 302. doi: 10.1016/j.jmapro.2017.09.019
[10] Cao R, Chang J H, Huang Q, et al. Behaviors and effects of Zn coating on welding-brazing process of Al-Steel and Mg-steel dissimilar metals[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2018, 31: 674 − 688. doi: 10.1016/j.jmapro.2018.01.001
[11] 蒋健博. 胶粘剂对镁/铝异种合金胶焊的影响及其机制研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2011. Jiang Jianbo. Effect of adhesives on the glue welding of Mg/Al heteralloys and its mechanism[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011.
[12] Wang H Y, Liu L M, Zhu M L, et al. Laser weld bonding of A6061Al alloy to AZ31B Mg alloy[J]. Science and Technology of Welding and Joining, 2007, 12(3): 261 − 265. doi: 10.1179/174329307X159784
[13] 任大鑫, 刘黎明. 镁合金激光胶接焊胶层作用分析[J]. 机械工程学报, 2009, 45(8): 266 − 269. doi: 10.3901/JME.2009.08.266 Ren Daxin, Liu Liming. Analysis of the role of laser bonding welding adhesive layer for magnesium alloy[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2009, 45(8): 266 − 269. doi: 10.3901/JME.2009.08.266
[14] Ren D X, Liu L M, Li Y F. Investigation on overlap joining of AZ61 magnesium alloy: laser welding, adhesive bonding, and laser weld bonding[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2012, 61(1-4): 195 − 204. doi: 10.1007/s00170-011-3683-x
[15] 王红阳, 张兆栋, 曹贺. 基于镍合金中间层的镁/钢异质金属激光-电弧复合胶焊技术[J]. 焊接学报, 2014, 35(4): 83 − 86. Wang Hongyang, Zhang Zhaodong, Cao He. Laser-arc composite glue welding technology for magnesium/steel heterogeneous metals based on nickel alloy interlayer[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2014, 35(4): 83 − 86.
[16] Liu L M, Jiang J B. The effect of adhesive on arc behaviors of laser-TIG hybrid weld bonding process of Mg to Al alloy[J]. Ieee Transactions on Plasma Science, 2011, 39(12): 581 − 586.
[17] 周惦武, 李宁宁, 徐少华, 等. 双相钢/铝合金激光胶接焊胶层作用分析[J]. 机械工程学报, 2016, 52(14): 25 − 30. Zhou Dianwu, Li Ningning, Xu Shaohua, et al. Analysis of the role of laser glue layer for duplex/aluminum alloy welding[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2016, 52(14): 25 − 30.
[18] 刘黎明, 王红阳, 王恒, 等. 镁合金激光胶接焊接头微观及力学性能[J]. 中国机械工程, 2007(3): 352 − 356. doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2007.03.025 Liu Liming, Wang Hongyang, Wang Heng, et al. Microscopic and mechanical properties of laser-glued welded joints of magnesium alloy[J]. China Mechanical Engineering, 2007(3): 352 − 356. doi: 10.3321/j.issn:1004-132X.2007.03.025
[19] Miedema A R. The electronegativity parameter for transition metals: Heat of formation and charge transfer in alloys[J]. Journal of the Less Common Metals, 1973, 32(1): 117 − 136.
[20] Luo Q, Li Q, Zhang J Y, et al. Comparison of muggianu model, toop model and general solution model for predicting the thermodynamic properties of Mg-Al-Zn system[J]. Calphad, 2015, 51: 366.
[21] Auwal S T, Ramesh S, Zhang Z Q, et al. Influence of electrodeposited Cu-Ni layer on interfacial reaction and mechanical properties of laser welded-brazed Mg/Ti lap joints[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2019, 37: 251 − 265.
[22] Li T, Zhou D W, Yan Y R L, et al. Effect of laser-Ti foil coupling on microstructure and mechanical property of steel/aluminum fusion welding joints[J]. Optics and Laser Technology, 2021, 141: 107114.
[23] 康悦, 赵艳秋, 李悦, 等. 驱动力对2219铝合金DLBSW焊接熔池行为的影响[J]. 焊接学报, 2022, 43(2): 82 − 87. Kang Yue, Zhao Yanqiu, Li Yue, et al. Effect of driving force on the molten pool behavior of 2219 aluminum alloy DLBSW welds[J]. Transactions of the China Welding Institution, 2022, 43(2): 82 − 87.
[24] Qi J X, Miao G H, Ai J Y, et al. Study on numerical simulation of TA1-304 stainless steel explosive welding[J]. China Welding, 2021, 30(02): 11 − 16.
计量
- 文章访问数: 285
- HTML全文浏览量: 94
- PDF下载量: 17
