铝/不锈钢搅拌摩擦搭接焊及加中间层锌的钎搭接研究

摘要

本文利用搅拌摩擦焊接技术，实现铝合金与不锈钢的良好搭接。实验主要分为两大类，第一类是实现2mm的2A70铝合金板与2mm的316不锈钢板的搅拌摩擦搭接，第二类是在2mm的2A70铝合金板和2mm的316不锈钢板之间加入0.1mm和0.3mm的锌层实现“三明治”的焊接结构达到连接铝合金与不锈钢的目的。
　　在进行铝/钢搅拌摩擦搭接时，研究了焊接工艺参数对焊缝表面形貌的影响规律，在此基础上选取合适的参数着重研究了搅拌头下压量对焊缝横截面形貌、微观结构的影响并论述了焊接过程中的材料流动行为。由于搅拌针扎入不锈钢，铝合金侧有不锈钢颗粒存在，焊缝界面也存在 Hook钩并起到对焊缝机械互锁的作用。焊后通过扫描电镜观察发现焊缝界面存在中间层，且中间层厚度与焊接热输入呈正相关。经过 X射线衍射仪的物相分析确定中间层成分主要为Fe2Al5。通过力学性能检测发现在焊接参数：n=1200r/min，v=40mm/min，d=0.3mm下取得最大的剪切强度。金属间化合物层是焊缝的薄弱环节。对焊缝横截面硬度进行的测试表面，铝合金不同区域的晶粒尺寸不同造成各个区域硬度不同。靠近表面的铝合金硬度最高。而不锈钢在靠近焊缝界面处取得了最高的硬度。
　　因铝合金与不锈钢的搅拌摩擦搭接焊无法避免 Al-Fe金属间化合物层的形成，为了解决这一问题同时提高焊缝强度，本研究选择在铝合金与不锈钢之间添加锌层。本研究在恒定的焊接速度(40mm/min)与搅拌头旋转速度(1200r/min)下设置了两大变量，即锌层的厚度与搅拌针是否扎入不锈钢。实验发现搅拌针不扎入锌层的情况下焊接强度很低。在调整了焊接参数之后对焊接过程温度场的监测表明焊接过程中的锌层均发生了熔化。对不同焊接参数下的焊缝横截面的形貌进行了分析，发现随着锌层变厚焊缝横截面形成了大量的铝锌层混结构，搅拌针扎入不锈钢有不锈钢颗粒穿过熔化的锌层溶进铝合金中。锌在铝合金侧的分布说明焊接过程中的流动性良好，在利用扫描电镜对焊缝界面进行观察时并未观察到中间层的生成。利用 X射线衍射仪发现了焊缝中数种固溶体的存在。在对焊缝进行的力学测试表明在应用了0.3mm厚的锌层，搅拌针扎入不锈钢0.1mm时取得的焊缝强度最大。
　　最终研究表明通过向铝合金与不锈钢之间加入锌层有效避免了金属间化合物层的生成且有效提高了焊缝剪切强度。

目录

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2搅拌摩擦焊简介及研究进展

1.3异种金属的焊接

1.4铝合金与钢焊接研究进展

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实验设备和装置

2.3焊接实验工艺过程

第三章 铝/钢搅拌摩擦搭接焊接

3.1搅拌摩擦搭接接头宏观成形

3.2搅拌针扎入量对焊缝结合面微观结构影响

3.3铝/不锈钢搅拌摩擦搭焊接头力学性能分析

3.4本章小结

第四章 加中间层锌的铝/钢搅拌摩擦钎搭焊研究

4.1焊缝宏观形貌分析

4.2铝-锌-钢接头微观结构分析

4.3焊接接头力学性能分析

4.4本章小结

第五章 铝/钢搅拌摩擦搭焊中的连接机制研究

5.1搅拌摩擦搭焊过程中材料流动性研究

5.2搅拌摩擦焊接过程中界面连接

5.3锌层的加入对焊接接头力学性能的影响

5.4本章小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

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