镁、钢冷金属过渡CMT熔-钎焊润湿模型、连接机理及关键技术研究

Magnesium-steel joining is the key technology in order to make Magnesium alloys perform in the mobile devices.Differences in chemical and physical properties of Mg alloys and steels, and the fact that neither solid solutions nor intermetallics exist between magnesium and steel makes the joining of Mg alloys to steels through conventional fusion welding impossible.In this application, cold metal transfer(CMT) method was used to join Mg-steels,joints are formed by melting Mg wire, welding Mg base metal sheet, and brazing steel sheet, to improve the quality of the joints, four basic science problems are proposed to study.(1)dynamic processes and mechanisms of Mg weld pool wetting steel sheet, the driving force of wetting process, and the establishment of wetting model;(2) the joining mechanisms of Mg-steel welding-brazing joints especially the effect of Al and Zn on wetting process, and the effect and mechanisms of alloy elements on the joints microstructure and properties.(3)crack initiation, propagation and fracture process and mechanism during the tensile-shear process of the Mg-steel welding-brazing joints, and calculation and analysis of stress condition.(4)optimization of the welding parameters during the welding-brazing joining process, the characterization of mechanical properties of the joints, and the key effects determining the mechanical properties. The study on this project has important theortical significance and engineering value for developing the dissimilar metal joining technology and promoting the performance of lightweight structures.

镁、钢连接是把镁合金普遍应用于移动装置中的急需解决的关键技术，由于镁钢物理、化学性质相差大，既不互溶也不生成金属间化合物因而极难形成熔焊接头。本申请研究通过CMT冷金属过渡技术将镁合金焊丝熔化、焊接镁合金母材和钎焊镀层钢板的方法形成镁-钢的熔焊-钎焊连接的关键技术及其相关的四个基础问题：（1）研究镁合金熔池润湿钢板的动态过程和机理、润湿的三个推动力，在此基础上建立润湿模型；（2）研究镁钢熔-钎焊接头形成机理特别是铝和锌对润湿的作用机理以及合金元素对接头组织和性能的影响机理；（3）搭接镁、钢熔-钎焊接头失效过程中裂纹起裂、扩展直至断裂的微观机理及宏观应力状态的计算分析；（4）熔-钎焊连接工艺规范、接头力学性能的评价以及影响接头力学性能的关键性因素等的基础研究。本课题对于深入研究开发镁、钢异种材料连接新技术和促进轻量化结构应用具有重要的理论意义及实用价值。

随着汽车轻量化过程中对镁合金的使用量逐年增加，镁和钢连接的问题已经受到了世界范围内的关注；镁-钢异种材料焊接的研究已成为焊接领域研究的热点和难点，研究镁-钢连接过程的润湿、连接机理以及影响因素是镁-钢冷金属过渡连接中急需解决的关键基础问题。.本研究通过动态润湿过程的观察、焊接试验、接头的SEM观察、XRD相分析以及相应的力学试验和模拟对镁-钢连接过程中的四个关键问题（润湿、形成机理、变形破坏规律、影响因素）进行系统研究，主要研究内容和结论为：（1）设计并提出了冷金属过渡条件下实时监测与评价熔滴在母材表面润湿行为的装置与方法。揭示出冷金属过渡条件下镁熔滴在钢表面润湿铺展驱动力的作用机制。提出温度依赖的毛细力在冷金属过渡条件下的本征润湿起主导作用，此为冷金属过渡条件下的共性规律。（2）揭示了冷金属过渡条件下，影响镁在钢表面润湿与钢之间异种金属连接中的关键元素及其作用机制。提出了冷金属过渡连接中界面元素偏聚的热力学预测模型，表明偏聚元素在界面的形成符合先吸附后反应的基本特征，同时对于熔钎焊接头钎接面界微观结构的优化提供了热力学参考依据。提出镁钢，镁-镀锌钢板搭接焊接接头连接机制，揭示钢板上的镀锌层对接头连接机制以及力学性能的影响。（3）研究并开发了镁钢点塞焊的接头形式和最佳的焊丝选择；不同焊丝和不同装配方式对镁钢连接机制不同，并影响其断裂方式和最终承载能力不同。（4）建立从工艺机理－微观组织与界面特征－宏观性能之间完整的理论支撑体系，为冷金属过渡的方法连接异种金属提供了详实的参考数据。特别是提出了焊丝中的合金元素Al，Zn以及钢板上的镀层、工艺参数、接头装配形式等共同影响接头的润湿、连接机理以及对应的力学性能和断裂机理。研究提出实现镁-钢有效快速连接的关键在于在界面形成过程中同时在界面形成过渡层且能与镁和钢有较好的相容性。.研究成果为镁-钢连接结构设计，安全评定提供理论依据；为深入研究异种金属接头形成机理并优化工艺提供了理论指导；为推广镁-钢在汽车等领域的应用奠定了坚实的理论基础和应用指导。