紫铜及铝合金搅拌摩擦焊接头性能研究

摘要

本文针对常用LF5防锈铝合金材料，进行了搅拌摩擦焊试验，系统的研究了搅拌头倾角（θ）、工件表面状态（氧化膜和油污）对焊缝成形和接头性能的影响。研究结果表明：搅拌头倾角对接头成形有很大影响，当搅拌头倾角较小时，在焊核表面容易出现沟槽缺陷，存在“弱连接区”，接头强韧性较低；当搅拌头倾角较大，如θ＝3.5°，接头强度和塑性均达到母材的90﹪以上。首次提出，虽然搅拌摩擦焊对工件表面状态要求不是很高，工件表面少量的氧化膜对FSW接头性能影响不大，但油污对焊核区的微观形貌有很大影响，会在焊核区下部和前进侧产生黑色的“s”线，导致接头力学性能发生显著降低。 由于铜的熔点较高，且导热系数大，采用传统方法焊接存在许多问题，接头容易出现热裂纹、气孔以及未焊透等缺陷，不易获得性能优异的焊缝。然而，采用搅拌摩擦焊焊接方法焊接铜及其合金，不需要焊接材料就能得到性能优良的接头。本课题在江苏科技大学青年基金的资助下，对搅拌摩擦焊接头形成机制进行了系统研究，重点研究了4mm厚紫铜板的搅拌摩擦焊工艺和焊接参数对接头性能的影响，初步探讨了紫铜板搅拌摩擦焊温度场分布规律，为今后的研究提供了一定的理论基础和实践经验。 本文通过对紫铜（T2）材料的大量的搅拌摩擦焊工艺试验,优化了搅拌头材料和搅拌针设计；从焊缝成形到工艺参数（焊接速度、旋转速度和搅拌头倾角等）对接头组织结构和力学性能的影响做了系统地研究。采用搅拌摩擦焊可以很好的对紫铜进行焊接，结果表明：焊缝两侧热机械影响区的组织不对称，焊缝的焊核区是呈现规则的细小等轴晶；母材金属的硬度范围在62～67HV之间，而焊核区的硬度范围维持在72～74HV之间，接头区金属没有发生明显的弱化现象；深入研究了焊接参数对接头微观结构和力学性能的影响，接头的强度和塑性分别达到母材的90﹪和85﹪。本文分析了T2搅拌摩擦焊的产热过程，建立了搅拌摩擦焊三维传热有限元模型。使用ANSYS有限元分析软件，结合文献资料记载的数据，对4mm厚紫铜板搅拌摩擦焊的温度场进行了有限元分析和计算，获得了T2搅拌摩擦焊第一阶段（搅拌头扎入阶段）的温度场分布与变化规律。 最后，对异种材料LF5/T2进行了搅拌摩擦焊工艺试验，采用扫描电镜（SEM）对焊核区的间混薄层微观组织进行了观察和分析。这方面的研究将为解决Al/Cu 异种材料的连接，提供了一种崭新的思路。