铝/铜异种金属搅拌摩擦钎焊搭接工艺及组织性能

摘要

近年来，在工程应用中铝/铜搅拌摩擦焊接已经成为焦点，传统铝/铜异种金属搅拌摩擦焊接由于易产生金属间化合物，很难获得优质的接头。本文通过搅拌摩擦焊接技术，采用Al/Zn/Cu的接头设计，在2 mm厚的铝板和铜板之间加入0.2 mm厚的锌箔作为钎料，实现铝板与黄铜板和铝板与纯铜板之间的有效搭接，并获得了表面成形性较好、接头性能优良的Al/Cu异种金属搭接接头。
　　采用有针搅拌头，在搅拌针未扎入下层铜板基体时，获得表面成形质量较好的焊缝。焊接过程中搅拌头转速 n、焊接速度 v和λ（v/n）是影响焊缝表面与横截面宏观成形质量的重要因素。在搅拌摩擦焊接过程中，焊核区底部中间层的峰值温度高于金属锌的熔点，熔化的锌在焊接过程中更容易被挤压、混合、扩散并溶解在焊缝中，达到冶金结合。
　　采用无针搅拌头，将铝板作为为上层板时，在焊接铝板和纯铜板过程中，大幅度降低了焊缝表面宏观缺陷的数量。焊接过程中搅拌头旋转速度对中间层厚度有着更重要的影响，当搅拌头旋转速度从1200 rpm提升到2000 rpm时，在两组实验的中间层厚度分别从200μm和155μm下降到9μm和8μm。焊接过程中温度监测显示，一定工艺条件下，无针搅拌摩擦焊接过程中焊接峰值温度也高于金属锌的熔点。熔化的锌与塑形流动的铝混合、扩散和溶解形成冶金结合的接头，接头最大抗剪切力达到7.3 kN。
　　采用无针搅拌头，将铜板作为上层板时，在焊接铝板和纯铜板过程中，当热输入量不足时，材料流动不充分，焊缝表面局部出现的“沟槽”状缺陷。焊缝横截面轴肩下方也出现由于无针搅拌头轴肩的扎入而形成了“压扁拉长”的不同于传统“洋葱环”的结构。随着焊接热输入量的增加，材料发生软化并被挤压，在焊缝中心形成了“月牙”型结构。随着混合、扩散和溶解过程的加剧，中间层逐步呈现双层结构，靠近铝侧基体为富铝的铝-锌合金层，靠近铜侧基体为富铜的铜-锌合金层。最大接头抗剪切力为8.9 kN，断裂面出现了两种合金组织，断口表现为沿晶断裂的形貌。

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第一章 绪论

1.1 本课题研究背景

1.2 搅拌摩擦焊简介

1.3搅拌摩擦焊的应用

1.4搅拌摩擦焊及无针搅拌摩擦焊研究现状

1.5 本文研究的主要内容及意义

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 搅拌摩擦焊接实验

2.3 焊接接头组织成分分析

2.4 焊缝机械性能分析

第三章 搅拌头作用于铝板的铝/铜异种有针搅拌摩擦钎焊

3.1 引言

3.2有针搭接接头宏观成形性分析

3.3接头横截面结构

3.4搅拌区底部温度实时监测与产热机制

3.5有针搅拌摩擦焊的产热模型

3.6 接头力学性能

3.6本章小结

第四章 搅拌头作用于铝板的铝/铜异种无针搅拌摩擦钎焊

4.1引言

4.2有针搭接接头宏观形貌分析

4.3焊缝横截面微观形貌分析

4.4焊接过程中温度实时监测结果分析

4.5中间层的界面演变过程

4.6接头力学性能

4.6本章小结

第五章 搅拌头作用于铜板的铝/铜异种无针搅拌摩擦钎焊

5.1 引言

5.2接头宏观成形性分析

5.3横截面微观分析

5.4中间层形成机制

5.5接头力学性能

5.6本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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