脉冲磁场辅助铝合金_钢CMT熔钎焊接头组织与性能研究.pdf

摘要

摘要

本研究在原有CMT熔钎焊的基础上设计了可控的脉冲磁场辅助装置，将脉冲磁

场技术与CMT熔钎焊技术相结合，制备铝合金和钢的对接接头，探究电弧磁场参数-

对接头宏观成形和微观组织的影响规律，采用数值模拟的方法，模拟脉冲磁场辅助

CMT熔钎焊过程，探究脉冲磁场对熔池中流体流动变化的影响规律；对接头的拉伸

性能和耐腐蚀性能进行研究，对比分析了磁场强度、尺寸频率对铝钢焊接接头的拉/

伸性能和耐腐蚀性能的影响规律。主要研究成果如下：

研究结果表明，施加脉冲磁场后，熔池的流体流动模式不变，仍为马兰戈尼对流，

但其显著增强了熔池的对流，熔池流体流动速度提高了约210%。铝合金与钢对接CMT

电弧熔钎焊试验中，当焊接速度为550mm/min，送丝速度为3.5m/min时，铝合金在

Q235B钢两侧的润湿铺展良好，焊缝成型美观。脉冲磁场改善了铝在钢表面的润湿性，

焊缝成型美观。在此基础上引入脉冲磁场，经过单因素分析法发现，随着磁场强度、

磁场频率增加，焊缝润湿铺展性得到改善，成形良好，但当脉冲磁场过大时，电弧稳

定性下降，焊缝成形质量也降低。磁场可以抑制θ-Fe(Al,Si)相的生成，减少IMC层

25

厚度。同时会固溶到界面层中生成τ5-AlFeSi相，改善IMC层韧性。强度磁场和

7.21.8

磁场频率过大时，接头难以形成有效的冶金结合，IMC层厚度急剧降低，反而不利于

接头的力学性能，抗拉强度随磁场强度和磁场频率的增加先升后降。随着磁场强度和

Si

频率的增加，焊缝晶粒细化，元素在焊缝中分布更加均匀，有效改善了焊缝韧性。

然而，脉冲磁场对铝钢焊接接头中的生成物相没有影响，均为α-Al固溶体、Al-Si共

晶组织、θ-Fe(Al,Si)和τ5-AlFeSi相。磁场强度过大可能导致温度梯度过大，从

257.21.8

而促使晶粒生长加快，晶粒尺寸变大；磁场频率过高时，磁场的穿透力减弱，这可能

导致磁场无法有效地影响焊接区域内的热传导和相变行为，晶粒尺寸粗化。脉冲磁场

后，焊缝晶粒显著细化，磁场促进了熔池的流动性，减少了焊缝中裂纹、夹渣的产生，

同时对IMC层的生长有抑制作用，IMC层厚度减小，形貌从原先的块状棱形转变为

细小的波浪状突起，增加了对焊缝的钉扎作用。

电化学测试结果表明，脉冲磁场通过细化焊缝处的晶粒，减少晶界的长度，限制

了腐蚀介质在金属晶界处的扩散和侵蚀，从而提高金属的耐腐蚀性能。当磁场强度为

60mT，磁场频率为20Hz时，接头耐腐蚀性能最佳，而随着磁场强度和频率的进一步

增加，耐腐蚀性反而变差。这说明脉冲磁场可以通过控制IMC层厚度抑制接头的电

偶腐蚀，并且通过细化晶粒抑制了腐蚀介质在晶界处的扩散和侵蚀，从而提高了铝/

钢焊接接头的耐腐蚀性。另外SVET检测发现，无脉冲磁场作用的焊接接头在腐蚀介

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江苏科技大学工学硕士学位论文

质中随着浸泡时间的延长，电流密度在不同时刻发生很明显的波动，表明焊接接头在

模拟海水溶液中发生了局部腐蚀。而脉冲磁场作用下的焊接接头在腐蚀介质中的电流

密度值只有微小的波动，接头表面整体受腐蚀程度较浅。

XPS测试显示，脉冲磁场可对Fe原子的扩散起到阻碍作用，对Si在IMC交界

层起偏聚作用，抑制脆性的Al-Fe化合物的生成，并使得接头组织均匀分布，焊缝中

的微电偶腐蚀效果减弱，钎焊界面处的IMC层层厚度降低，接头耐腐蚀性能改善。

关键词CMT熔钎焊；脉冲磁场；铝/钢异种金属；IMC界面层；腐蚀性能

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