铝/铜异种金属齿形对接型式的搅拌摩擦焊研究

摘要

本文进行了铝/铜异种金属的搅拌摩擦焊，考虑到焊缝中母材的相对含量影响微观组织的演变以及最终的力学性能，本文采用一种新型的齿形接头型式，可以通过调节齿的宽度来改变焊缝中铝/铜含量达到控制焊缝组织的目的。随后进行了传统对接型式和齿形接头型式的对比研究，进一步分析齿形型式对焊接接头的影响。 首先，将铜齿(铝齿)的长度定为3mm，以齿的宽度为变量进行研究。随着铜齿宽度d2的不断增加，即焊缝中母材铜的含量逐渐上升，焊缝中现了孔洞缺陷，这是因为铜的塑化温度相对较高，且流动性较差不能充分填充因搅拌针前进运动而挤出的空间。当把铝和铜的含量控制在一定范围时，能产生无缺陷的焊接接头。受热激活的影响，铝/铜界面处形成了无缺陷的薄的扩散层，由于元素浓度梯度及扩散速率的不同，在近铝侧及近铜侧分别形成了成分不同的扩散亚层，薄的冶金扩散层的出现有利于增强焊接接头的机械性能。搅拌摩擦焊过程中，受热-机共同作用，焊核区发生了动态再结晶，所产生的晶粒因受到搅拌针强烈的搅拌破碎作用来不及长大，最终形成细小的晶粒。由于铝/铜金属间化合物的出现及动态再结晶的发生，搅拌区的显微硬度明显高于其他区域。在最优的工艺参数下，焊接接头的拉伸强度得到明显的提升并伴有明显的韧性断裂特征。 为了进一步分析齿形接头型式的特点，随后进行了传统对焊型式和齿形接头型式的对比研究。由于铝和铜有明显不同的热性能，加之前进侧和后退侧不同的温度分布，因而将两支热电偶分别放在铝侧和铜侧进行温度监测。结果表明，铝侧和铜侧的温度分布有明显的不同，最高温度在铜侧获得为496℃，表明整个焊接过程是在低的热输入下完成的。通过比较焊接接头横截面的微观形貌发现，在传统对焊型式下，焊缝出现了孔洞缺陷；而在齿形接头型式下，所得到的焊缝无明显的缺陷。此外在齿形接头型式下，焊缝中出现了明显的流动形貌且伴有“洋葱环”涡状结构，表明交替排列的母材有利于塑化材料的充分混合及流动。在焊核区弥散分布着大量的颗粒，形成了铝基复合结构，也有利于增加焊接接头的力学性能。可以推断的是，由于铝/铜间的冶金作用，一些颗粒已经转变为金属间化合物。拉伸测试结果表明，采用齿形型式的焊接接头断裂强度明显高于传统对焊型式下的接头强度。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

目 录

图表清单

第一章 绪论

1.1选题背景

1.2搅拌摩擦焊简介及研究进展

1.2.1搅拌摩擦焊接原理及特点

1.2.2搅拌摩擦焊接接头典型的组织及性能

1.2.3搅拌摩擦焊接研究现状

1.3搅拌摩擦焊的发展与应用

1.3.1异种材料的搅拌摩擦焊

1.3.2搅拌摩擦加工

1.3.3搅拌摩擦焊在其他方面的发展

1.4铝/铜异种金属焊接研究进展

1.4.1铝/铜异种金属的焊接性分析

1.4.2铝/铜异种金属焊接研究现状

1.5本课题的研究内容、目的及意义

第二章 实验材料、设备和方法

2.1实验材料

2.2搅拌摩擦焊接实验

2.2.1搅拌摩擦焊接设备

2.2.2搅拌头的设计

2.2.3搅拌摩擦焊接工艺实验

2.3焊接接头组织和性能表征

2.3.1接头表面宏观形貌

2.3.2接头横截面微观组织分析

2.3.3XRD物相分析

2.3.4接头机械性能测试

第三章 齿形参数对铝/铜搅拌摩擦焊接头的影响

3.1接头宏观成形性分析

3.2接头微观结构分析

3.2.1接头横截面形貌分析

3.2.2典型组织与缺陷的分析

3.2.3搅拌摩擦焊接过程中的晶粒变化

3.3XRD物相分析

3.4接头力学性能测试与分析

3.4.1铝/铜焊接接头显微硬度分布

3.4.2拉伸强度结果与分析

3.4.3接头断口形貌分析

3.5本章小结

第四章 齿形型式与传统对接的铝/铜搅拌摩擦焊的比较研究

4.1焊接工艺的选择

4.2两种接头型式下的微观形貌分析

4.2.1传统对接型式下的接头形貌

4.2.2齿形接头型式下的接头形貌

4.2.3铝/铜界面演变分析

4.3焊接接头力学性能分析

4.3.1拉伸强度结果与分析

4.3.2接头断口形貌分析

4.4本章小节

第五章 齿形对接型式下铝/铜焊接接头连接机制的研究

5.1搅拌摩擦焊接过程中的热源

5.1.1搅拌摩擦焊的产热和散热机制

5.1.2铝/铜搅拌摩擦焊的温度场分布

5.2搅拌摩擦焊过程中材料流动性研究

5.3搅拌摩擦焊接过程中的界面演化分析

5.4本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间发表(录用)论文情况