铜/铝金属焊后接头界面组织及性能研究

摘要

本研究对厚度为2mm的轧制金属板材纯铜与纯铝进行了搅拌摩擦搭接焊和电阻焊实验。研究了不同工艺与焊接参数下接头的成型、界面组织及性能。分析了两种焊接方法的连接机制。主要内容包括：⑴铝板搭接在铜板上面，采用单、双道次焊接，搅拌头旋转速度为900 r/min，单道次焊接速度分别为30 mm/min、50 mm/min；双道次焊接是在第一道次焊接完成后得到的焊缝上再焊一次，第二道次的焊接速度与第一道次焊接速度相同。对Cu-Al接头的成型、界面组织及力学性能做了分析研究。单道次、双道次焊接时，在铝侧焊核区内，均有铜颗粒的迁入；与单道焊相比，双道次焊完成后，在铝侧焊核区内分布的铜颗粒尺寸减小，分布更均匀。两种焊接方法焊接后铜铝界面处均存在不同于母材组织的连续过渡层，单道次接头的过渡层由双层金属间化合物组成，而双道次焊接头过渡层中仅有单层金属间化合物。单道次焊缝中出现的隧道型孔洞可通过双道次焊消除，起到补焊的作用；双道次补焊不会降低抗拉强度。⑵异种材料的搅拌摩擦搭接焊连接，除了搅拌针的旋转速度和前进速度影响接头的性能外，板材的相对搭接位置及搅拌针的尺寸对Cu/Al接头界面组织也有显著的影响。接头成型及组织随搅拌针尺寸的改变发生明显变化。相同的焊接参数下，当铝在铜板上面时，界面过渡层非常窄，焊核区没有生成共晶相。而当铜板在铝板上面时，界面过渡层明显变宽，且在铝侧焊核区生成了Al-Al2Cu共晶组织。⑶为了探究采用搅拌摩擦搭接焊得到的接头其导电性能、力学性能是否有所提高。设计了铜、铝异种金属的电阻焊连接实验进行对比。发现电阻焊连接中接头界面的组织比搅拌摩擦搭接焊连接中接头界面的组织复杂。接头界面由共晶相α-Al-Al2Cu（靠近铝侧）及金属间化合物（IMC）Al2Cu（中间）和金属间化合物 Al4Cu9（靠近铜侧）组成，IMC厚度随着热输入的增大而增加。由于金属间化合物和共晶相的影响，电阻焊得到的接头的电阻率明显大于搅拌摩擦搭接焊得到的接头的电阻率。实验表明，采用搅拌摩擦搭接焊技术连接Cu、Al两种导电性能良好的金属，得到的接头不仅力学性能良好，更重要的是导电性能优良。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 Cu/Al异种材料焊接特点

1.3 搅拌摩擦焊

1.4 电阻焊

1.5 Cu/Al异种金属连接的国内外研究现状

1.6 本文主要研究内容

第2章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法及步骤

第3章 不同焊接方法及工艺下Cu-Al接头成型与宏观形貌

3.1 搅拌摩擦搭接焊焊接参数的选择

3.2 搅拌摩擦搭接焊不同焊接道次下焊缝成型及宏观形貌

3.3 不同搭接位置及搅拌头尺寸下接头成型及宏观形貌

3.4 电阻焊焊接参数的选择

3.5 电阻焊接头成型及宏观形貌

3.6 本章小结

第4章 不同焊接方法与工艺下Cu-Al接头微观形貌及组织

4.1 不同焊接道次接头微观组织

4.2 不同搭接位置及搅拌头尺寸下接头微观组织

4.3 电阻焊接头微观组织

4.4 不同焊接方法的焊接机制

4.5 本章小结

第5章 Cu-Al接头的导电性能及力学性能

5.1 导电性能

5.2 拉伸性能

5.3 本章小结

结论

参考文献

致谢

附录A (攻读学位期间所发表的学术论文目录)