摘 要

近些年以来，国内汽车产业蓬勃发展，在一系列重磅政策的推行下，节能减排已经成为国内汽车行业发展的大势所趋，因此汽车轻量化已经成为汽车领域内最重要的研究项目之一。尽可能地降低汽车的整车质量，从而使汽车具有更高的动力性和更少的油耗，是汽车轻量化研究的核心所在。铝/钢连接结构因为具有有效减轻车身重量的同时保证车辆行驶平顺性，并且价格经济实惠的优点吸引了科研工作者的关注，成为汽车轻量化研究中的主要攻坚方向之一。然而铝合金与钢之间存在着巨大的物理性质差异，熔焊时钢/铝界面易形成脆性的金属间化合物（IMCs），严重降低接头的力学性能。激光焊接具有热输入量可控、焊接效率高、较小的焊接热影响区和热变形等优点，被认为是钢/铝异种金属的理想焊接方法，因此深入研究钢/铝异种金属激光焊接工艺对于揭示界面金属间化合物的形成机理以及提高接头的力学性能有着重要的意义。

本研究对钢/铝异种合金进行了激光焊接实验，利用光学显微镜、扫描电子显微镜等仪器设备对激光焊接接头界面微观组织和相变进行了研究与分析。研究发现，钢/铝接头界面区的组织偏析主要与钢侧铝含量密切相关，冶金反应中界面区生成了Fe₂Al₅、FeAl₃和FeAl等多种Fe-Al金属间化合物(IMCs)。这些金属间化合物具有较大的脆性，尤其是IMCs的连续或半连续分布会严重降低材料自身的塑韧性，这将大大增加了熔合区的裂纹敏感性。

在此基础上，采用ANSYS分析软件对钢/铝异种金属焊接过程进行仿真，发现焊接过程中降低激光功率可以有效地降低焊缝裂纹敏感性。本研究可为异种材料的激光焊接工艺及其应用提供技术支持。

关键词：汽车轻量化; 激光焊接; 铝/钢；组织演变；相变；IMCs

Abstract

In recent years, the domestic automobile industry has been booming. Under the implementation of a series of heavyweight policies, energy conservation and emission reduction have become the general trend of the development of the domestic automobile industry. Therefore, vehicle lightweight has become one of the most important research projects in the field of automobile. It is the core of vehicle lightweight research to reduce the vehicle mass as much as possible, so as to make the vehicle have higher power and less fuel consumption. The aluminum/steel connection structure has attracted the attention of researchers because it can effectively reduce the weight of the body while ensuring the smooth running of the vehicle, and it is economical and affordable, which has become one of the main research directions of automobile lightweight. However, there is a huge physical property difference between aluminum alloy and steel, and the steel/aluminum interface is prone to form brittle intermetallic compounds (IMCs) during fusion welding, which seriously reduces the mechanical properties of the joint. Laser welding with heat input quantity control, welding with high efficiency, small welding heat affected zone and the advantages of the thermal deformation, is considered to be ideal of steel/aluminum dissimilar metal welding method, so the further study of steel/aluminum dissimilar metal laser welding technology to reveal the formation mechanism of the interfacial intermetallic compound and improve the mechanical properties of joint has important significance.

In this study, laser welding experiments were carried out on steel/aluminum dissimilar alloys, and the interface microstructure and phase transition of laser welded joints were studied and analyzed using optical microscope, scanning electron microscope and other instruments. It was found that the microstructure segregation of the interface area of the steel/aluminum joint was mainly related to the aluminum content of the steel side, and a variety of Fe-Al intermetallic compounds (IMCs) such as Fe₂Al₅, FeAl₃ and FeAl were generated in the interface area of the metallurgical reaction. These intermetallic compounds have great brittleness, especially the continuous or semi-continuous distribution of IMCs will seriously reduce the material's plasticity, which will greatly increase the crack sensitivity in the fusion zone.

On this basis, ANSYS software was used to simulate the welding process of steel/aluminum heterogeneous metals, and it was found that reducing laser power in the welding process can effectively reduce the crack sensitivity of the weld. This research can provide technical support for laser welding technology and its application of heterogeneous materials.

Key words: Vehicle lightweight; Laser welding; Al/steel; Microstructure evolution; Phase transformation; IMCs

目 录

摘 要 I

Abstract II

目录 IV

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 研究目的及意义 4

1.4 研究方法 4

第2章 实验平台的搭建与实验方案 6

2.1 实验材料与设备 6

2.1.1 实验板材 6

2.1.2 实验设备 6

2.1.3 分析设备 7

2.1.4 仿真软件 8

2.2 实验平台的搭建 8

2.3 实验过程 9

第3章 实验结果与分析 11

3.1 接头显微组织 11

3.2 界面区元素迁移 13

3.3 接头区XRD分析 14

3.4 接头力学性能 15

3.4.1 显微硬度分析 15

3.4.2 拉伸性能 16

3.5 本章小结 18

第4章 仿真分析与验证 19

4.1 仿真模型的建立 19

4.2 边界条件和材料属性 19

4.3 仿真热源模型 20

4.4 仿真结果与分析 21

4.5 仿真结果验证 22

4.6 本章小结 24

第5章 研究结论与展望 25

5.1 研究结论 25

5.2 研究展望 25

致谢 26

参考文献 27

第1章 绪论

1.1 课题背景

近年来，随着人民生活水平的不断提高，我国的汽车行业发展可谓一日千里，汽车已经成为每个现代生活不可缺少的一部分。汽车行业飞速发展的同时，人们对汽车的要求越来越高，一辆好的汽车在能够代步的同时，安全性和经济性等都要满足消费者的需求。汽车的保有量也越来越大，更是对自然环境和世界能源造成了一定威胁。随着各国推行强制汽车制造商降低汽车油耗的政策以及人们对能源问题的关注，汽车领域掀起了改革的新浪潮，各大车企纷纷开始寻找新的突破口以提高自身产品的影响力。

相关研究数据表明，汽车轻量化是降低油耗最有效的方法之一：如果一辆车整备质量能够降低10%，那么这辆车的燃油效率最高可以提高8%。要想通过其他方式到达这样的效果，则需要将滚动阻力降低30%，或者将汽车内传动机构的效率提高11%，然而以目前的技术来看，这些方式要么难如登天，要么性价比太低。对于一辆普通轿车来说，全车一半左右的质量来源于车身。再空载状况下，用于车身质量上的油耗占据全部油耗的四分之三。由此来看，想要以减轻汽车自身总量的方式来降低汽车的油耗，提高燃油经济性，车身轻量化项目不可小觑。另外，受到汽车轻量化的影响，汽车的操纵稳定性和碰撞安全性也会由较大的提高：因为车身质量减轻会使汽车的地盘质量占比增大，汽车的质心下降，可以有效地减少在不平路面上行驶的颠簸情况，整个车身会更加稳定；轻量化材料往往具有较高的塑性，在发生碰撞时起到吸能作用有效地提高碰撞安全性。因此，为了提高产品竞争力，各个企业向汽车轻量化发起一轮又一轮的进攻。在国家层面上，“轻量化”对节约资源，保护环境有着重要意义，是国家工业的重要战略之一。在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中强调了“轻量化仍然是重中之重”。毫无疑问，汽车轻量化已成为目前汽车领域内主要攻坚方向之一。