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在全球参与节能减排的大背景下,轻量化已然成为汽车尤其是新能源汽车发展的必然趋势。镁合金具有密度低、比强度高、阻尼减震性好等优点,是常见的最轻的金属结构材料;钢强度高、塑韧性好、结构制造简便,是目前应用最广泛的金属材料。将镁合金与钢结合形成异质金属零部件是实现汽车轻量化的一个重要方向,而镁合金与钢的焊接仍是制约其设计及应用的关键。镁合金/钢连接作为不反应难固溶异质金属连接的典型代表,如何促进两者界面冶金反应、改善界面结构以及实现界面层与基体的匹配仍是国内外研究的焦点。本论文以AZ31B镁合金/Q235钢板材对接焊为研究对象,在高界面反应温度下,采用激光诱导电弧耦合热源,系统开展镁合金/钢直接对接熔化焊、填AZ61镁合金焊丝对接熔化焊及添Ni夹层对接熔化焊接头成形特征、界面层结构模型及界面强化机理研究。本文主要结论如下:(1)开展了镁合金/钢激光诱导电弧直接对接熔化焊工艺研究,研究了焊接参数、母材厚度对接头成形及性能影响。实验结果表明:本实验条件下,当激光功率为110 W,电弧电流为40 A时,2.0 mm厚度镁合金/0.8 mm厚度钢接头抗拉强度达186 MPa,达到镁合金母材的73.8%,而1.6 mm厚度镁合金/1.0 mm厚度钢对接焊时由于镁合金烧损严重,无法实现焊接成形。在激光诱导电弧复合热源焊接过程中,脉冲激光使界面处的钢熔化,提高了界面反应温度;电弧热源使镁板熔化并向钢侧表面铺展,弥补镁合金烧损的同时提高了接头成形能力。高界面反应温度下界面处熔化的钢与镁合金中的合金元素反应实现了界面冶金结合。(2)开展了镁合金/钢激光诱导电弧填丝对接熔化焊工艺研究,研究了激光功率和激光偏移量对接头成形及性能影响。实验结果表明:在本实验条件下,当激光功率为850 W,电弧电流为45 A时,填充1.6 mm直径的AZ61镁合金焊丝,1.6 mm厚度镁合金/1.0 mm厚度钢填丝焊接头抗拉强度达238 MPa,为镁合金母材的94.4%。与镁合金/钢直接焊相比,填丝对接熔化焊时,填充的焊丝可有效弥补焊接过程中镁合金烧损,实现接头良好成形。同时在高界面反应温度下,钢熔化后与焊丝中的合金元素发生反应,实现界面冶金结合,获得了高强度镁合金/钢填丝焊对接接头。(3)开展了镁合金/钢激光诱导电弧添Ni夹层对接熔化焊工艺研究,研究了单面焊和双面焊焊接方法对接头成形及性能影响。实验结果表明:单面焊时,添加0.1 mm厚度Ni夹层,由于高熔点的Ni夹层难以完全熔化,焊接接头存在裂纹,接头最大抗拉强度仅84 MPa;双面焊时,镁合金/钢焊接接头正面和背面成形较好,当激光功率为360 W,电弧电流为35 A时,1.6 mm厚度镁合金/1.0 mm厚度钢添Ni夹层焊接头抗拉强度达241 MPa,为镁合金母材的95.6%。采用双面焊方法实现了镁合金/钢不填丝高强度对接焊接头成形。同时在高界面反应温度下,Ni夹层与钢发生反应,实现界面冶金结合,消除焊缝粗大组织。(4)分析了激光诱导电弧填丝焊和添Ni夹层焊两种高强度镁合金/钢接头的界面微观结构,建立了界面结合模型。分析结果表明:填丝焊时获得的高性能接头,其界面层由HT-A111(Mn,Fe)4(High temperature Al11(Mn,Fe)4)金属间化合物基固溶体和α-Fe(Al)固溶体组成;添Ni夹层焊时获得的高性能接头,其界面层由(Al,Mg)(Ni,Mn,Fe)金属间化合物基固溶体和α-(Fe,Ni,Al,Mn)固溶体组成。构建了镁合金/钢激光诱导电弧对接熔化焊“双固溶体”界面结合模型,即界面层由纳米级Al-X(X为其它合金元素)金属间化合物基固溶体和Fe基固溶体组成。“双固溶体”界面层结构有效提升了镁合金/钢对接熔化焊接头性能。(5)研究了添Ni夹层镁合金/钢双固溶体界面层与相邻两侧组织的微观结构,揭示了镁合金/钢对接熔化焊界面匹配关系。研究结果表明:在靠近钢一侧,界面层中B2_AlNi与BCC_Fe-Ni原子空间结构排布相同,晶格常数值接近,B2_AlNi与BCC_Fe-Ni形成完全共格;在靠近镁合金焊缝一侧,界面层中B2_AlNi与HCP_Mg均发生晶格畸变,形成了(0111)Mg晶面与(110)AlNi晶面的完全共格关系;采用O点阵模型计算表明AlNi/Mg界面错配度降低,错配度关系为:(110)AlNi//(0002)Mg<(20.0)AlNi//(0002)Mg<(211)AlNi//(0002)Mg。(6)提出了镁合金/钢激光诱导电弧熔化焊接界面强化机制,主要包括以下三方面:第一,利用高界面反应温度和选择合适的合金化元素,获得钢/界面层/镁合金焊接接头结构,消除焊缝粗大组织,实现镁合金侧焊缝的强化;第二,实现焊接界面结构由Fe-Al金属间化合物向热稳定性更好的纳米级Al-X金属间化合物基固溶体+Fe基固溶体的“双固溶体”界面结构转变;第三,镁合金/钢双固溶体界面结构由于发生晶格畸变,界面层与相邻两侧均实现共格匹配,有助于焊接接头性能的进一步提升。