Ti/Al搅拌摩擦点焊-钎焊复合焊接接头组织性能研究

摘要

本文在Ti/Al异种金属搅拌摩擦点焊时，通过在Ti、Al搭接界面处添加合适的钎料、利用搅拌摩擦点焊自身产生的热、力作用在搅拌区周围实现了钎焊连接，发展了一种可以获得“搅拌摩擦点焊-钎焊”复合焊接接头的Ti/Al异种金属连接新技术。采用“搅拌摩擦点焊-钎焊”技术实现了3mm厚TC4钛合金和2A14铝合金异种金属的良好连接，研究了钎料添加方式对复合接头形成的影响，对比分析了工艺参数对常规搅拌摩擦点焊(Friction Stir Spot Welding，简称FSSW)和钛合金表面渗铝后的搅拌摩擦点焊-钎焊(Friction Stir Spot Welding-Soldering,简称FSSW-S)接头力学性能的影响规律，采用SEM、EDS等分析测试方法分析了接头微观组织、元素分布和界面结构。研究结果表明：
　　对于直接添加Zn箔钎料、钛合金表面喷涂预置Zn85Al钎料和钛合金表面焊前渗铝后添加Zn箔钎料这三种钎料添加方式，在前两种钎料添加方式下的轴肩界面区，钎料层与铝合金结合良好，与钛合金之间存在间隙，钎料与钛合金未发生润湿反应；第三种钎料添加方式下的轴肩区形成了钎焊连接，界面结合紧密，焊接接头在拉伸断裂时在轴肩区域的断裂方式为混合型断裂，靠近匙孔周围区域断裂位于渗铝层与钛合金结合面，轴肩边缘区域断裂位于界面下的渗铝层表层。
　　钛合金表面焊前渗铝后添加Zn箔钎料的FSSW-S复合焊接接头形成过程可分为三个阶段，第一阶段为搅拌针下压时Hook的形成，第二阶段为钎料受热熔化在轴肩力作用下被挤出，第三阶段为剩余钎料在轴肩界面区的溶解、扩散反应。Zn钎料受热熔化在轴肩力的作用下被大量挤出，剩余的液态Zn填充了铝合金和渗铝层之间的间隙，在温度和压力作用下，两侧的Al不断向Zn中溶解，同时也伴随着Zn向Al中扩散，直到最后形成无缺陷和间隙的界面。
　　常规FSSW的接头抗拉剪力随搅拌头转速和焊接时间的增加变化不大，而钛合金表面渗铝后的FSSW-S焊接接头抗拉剪力随着搅拌头转速的增加先增加后减小，随着焊接时间的增加先增加后减小再基本保持不变。在搅拌头转速为1200rpm，焊接时间为18s时，复合焊接接头的抗拉剪力达到最高，为13.87kN/点，是相同焊接条件下常规FSSW接头的最大抗拉剪力的2.1倍，是目前国内外文献中FSSW接头最大抗拉剪力的1.9倍。
　　Ti/Al“搅拌摩擦点焊-钎焊”复合焊接接头中钎焊界面的存在改变了裂纹在接头中的扩展方式使得疲劳载荷和疲劳寿命比常规FSSW大幅提高。在对应疲劳循环次数为2×106时，常规FSSW焊接接头与FSSW-S复合焊接接头的疲劳载荷分别为1.45kN和3.65kN，在疲劳载荷为3.5kN下，复合焊接接头的疲劳寿命比常规FSSW焊接接头提高了2个数量级。常规FSSW焊接接头疲劳断口的裂纹源为匙孔的根部位置，裂纹沿疲劳载荷加载的方向向Hook根部扩展，瞬时断裂区为韧性断裂。FSSW-S复合焊接接头裂纹沿钎焊界面扩展经历了三个阶段，开始从轴肩外的钎焊界面向匙孔中心扩展，然后与界面呈45°方向向铝中扩展，最后再沿钎焊界面扩展，直到扩展到Hook根部，断口呈现Hook剥离断裂，在靠近匙孔区域为脆性断裂。

目录

第1章 绪 论

1.1 选题依据、目的及意义

1.2 Ti/Al异种金属焊接研究现状

1.3异种材料的搅拌摩擦钎焊

1.4搅拌摩擦点焊技术及存在的问题

1.5 Ti/Al搅拌摩擦点焊-钎焊方法的提出

1.6 本文主要研究内容

第2章 试验条件及方法

2.1 试验材料及设备

2.2 试验方法

2.3 接头性能测试

第3章 钎料添加方式对复合接头形成的影响

3.1 直接添加Zn箔钎料的FSSW-S

3.2电弧喷涂预置Zn85Al钎料的FSSW-S

3.3 钛合金表面焊前渗铝后加Zn箔钎料的FSSW-S

3.4 本章小结

第4章Ti/Al复合接头微观组织及形成机理

4.1复合接头微观组织结构研究

4.2复合接头界面结构研究

4.3 Ti/Al复合接头形成机理研究

4.4 本章小结

第5章Ti/Al复合接头的力学性能

5.1复合接头拉剪性能

5.2疲劳结果统计及分析

5.3疲劳断口分析

5.4 本章小结

第6章 结论

参考文献

硕士期间发表的学术论文及其他成果

致谢

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