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【6h】

Cu-CR-Zr合金的搅拌摩擦焊及焊后热处理工艺对焊缝性能的影响研究

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目录

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摘要

1 绪论

1.1 Cu-Cr-Zr合金

1.1.1 Cu-Cr-Zr合金性能

1.1.2 Cu-Cr-Zr合金研究现状

1.2 Cu-Cr-Zr合金的焊接研究现状

1.2.1 Cu-Cr-Zr焊接性分析

1.2.2 Cu-Cr-Zr合金的常用焊接方法

1.3 搅拌摩擦焊概述

1.3.1 搅拌摩擦焊的原理

1.3.2 搅拌摩擦焊的特点

1.3.3 国内外搅拌摩擦焊研究现状及发展趋势

1.3.4 搅拌摩擦焊温度场仿真研究现状

1.4 铜及铜合金的搅拌摩擦焊研究现状

1.5 焊后热处理

1.6 课题研究的目的、意义和主要内容

1.7 本章小结

2 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊的数值模拟与结果分析

2.1 传热学理论

2.1.1 热传导

2.1.2 热对流

2.1.3 热辐射

2.1.4 传热学在搅拌摩擦焊中的应用

2.2 搅拌摩擦焊温度场有限元模拟

2.2.1 搅拌摩擦焊热源数学模型

2.2.2 轴肩产热数学模型

2.2.2 轴肩产热数学模型

2.2.3 搅拌头产热数学模型

2.2.4 网格划分

2.2.5 加载与求解

2.3 Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊温度场仿真分析

2.3.1 搅拌摩擦焊温度场仿真分析

2.3.2 喷水焊接温度场仿真分析

2.4 本章小结

3 Cu-Cr-Zr合金的搅拌摩擦焊及热处理工艺实验

3.1 实验材料

3.2 搅拌摩擦焊工艺实验

3.2.1 实验目的

3.2.2 焊机装备

3.3 焊接实验过程

3.4 焊后热处理工艺实验

3.5 力学性能测试

3.5.1 拉伸力学性能测试

3.5.2 硬度测试

3.6 电学性能测试

3.7 金相显微组织观察实验

3.8 本章小结

4 Cu-Cr-Zr合金的搅拌摩擦焊焊缝性能分析

4.1 焊缝宏观分析

4.2 力学性能分析

4.2.1 拉伸力学性能结果分析

4.2.2 显微硬度结果分析

4.2.3 焊缝力学性能降低原因分析

4.3 电学性能分析

4.3.1 焊缝电导率结果分析

4.3.2 焊缝电导率变化原因分析

4.4 金相实验结果分析

4.5 仿真模型的验证

4.6 本章小结

5 热处理工艺对焊缝接头性能的影响

5.1 热处理焊缝力学性能分析

5.1.1 热处理焊缝拉伸力学性能结果分析

5.1.2 热处理焊缝显微硬度结果分析

5.1.3 热处理工艺对焊缝力学性能影响原因分析

5.2 热处理焊缝电学性能分析

5.2.1 焊缝电导率结果分析

5.2.2 焊缝电导率变化原因分析

5.3 热处理焊缝金相组织分析

5.4 本章小结

6 全文总结与展望

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢

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摘要

Cu-Cr-Zr合金以其高强高导的优异性能,成为新一代舰用电机转子导条与端环的首选材料。但是现有的常规熔焊方法易出现气孔、未焊合、裂纹等焊缝缺陷,以及焊缝接头力学性能和电学性能下降严重,而且难以进行大厚度焊接,这将严重的制约着高强高导铜合金相关产品的升级与快速发展。本文针对某新型舰用电机转子焊接工艺难,对Cu-Cr-Zr合金进行搅拌摩擦焊研究,以及为改善焊缝性能,进行了焊后热处理工艺研究。
  本文采用有限元分析软件ANSYS13.0仿真Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊三维稳态传热模型。仿真结果表明,焊接高温区分布在搅拌工具四周,最高温度达1220K,并且搅拌工具前进侧与后端温度分别高于返回侧与前端温度。通过对比分析加喷水冷却工艺的Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊温度场结果,得出焊接过程中加喷水冷却能有效地控制焊接高温热(最高温度降为1060K)以及缩小焊接高温区范围,因而可以有效地减小高温焊接热对焊缝及母材的固溶软化作用。对Cu-Cr-Zr合金采用加喷水冷却的搅拌摩擦焊技术,并分析焊后性能与组织。结果表明,焊缝接头性能下降严重:抗拉强度264.3MPa,降为母材的59%;屈服强度130.45MPa,降为母材的40.8%;显微硬度为71HV,仅为母材的50%;电导率为40%IACS,降为母材的67%左右。焊接高温热使得焊缝组织中大量弥散强化的沉淀相消失,固溶回到Cu基体中,致使焊后性能大幅下降。最后对焊缝进行425℃、450℃、475℃、500℃、525℃五组温度热处理,综合比较得出热处理温度为475℃为较好:抗拉强度303.8MPa,增幅达15%;屈服强度190.55MPa,增幅达46%;显微硬度110-120HV,增幅达70%,电导率由原来焊缝均值40%IACS电导率提高到60-70%IACS。热处理后,基体过饱和固溶体大量析出沉淀相,沉淀相弥散分布能有效改善组织性能。因此Cu-Cr-Zr合金的搅拌摩擦焊及焊后热处理工艺是可行有效的,对合理制定舰用电机转子焊接工艺具有重要指导意义。

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