块体非晶合金Fe78Si9B13超声波焊接制备研究

摘要

块体非晶合金(BMG)是具有广泛应用潜力的工程结构材料,为实现非晶合金的连接,探索高效节能的冶金结合技术具有重要的研究价值。已有研究报道摩擦焊、脉冲焊、电子束焊、激光焊和爆炸焊等技术可制备块体非晶合金。
　　首先,本文采用超声波焊接技术对多层Fe78Si9B13薄片进行了固态连接,得到良好的焊接接头以及合理化焊接工艺参数,分别对焊接接头进行了显微结构观察(OM和SEM)、微区-X射线衍射分析(micro-XRD)、差示扫描量热分析(DSC)、显微硬度测试和焊接温度测试,分析阐述了多层 Fe78Si9B13薄片超声波焊接的连接机理和晶化情况,为制备块体非晶合金提供了一条有效途径。
　　研究表明,过冷液态非晶Fe78Si9B13呈现超塑性和高热稳性,两至六层薄片都能超声固结在一起,通过大量试验得出,两层薄片超声波焊接的合理化工艺参数为超声时间0.20s和静压力1.37×103N;三至五层薄片超声波焊接的合理化工艺参数为：
　　(1)超声时间0.19s和静压力1.72×103N;
　　(2)超声时间0.20s和静压力1.60×103N;
　　(3)超声时间0.21s和静压力1.49×103N;
　　(4)超声时间0.22s和静压力1.37×103N;六层薄片超声波焊接的合理化工艺参数为超声时间0.22s和静压力1.60×103N。
　　接头界面点隙区不能有效连接,而触点区可实现无缺陷、无晶化的固态结合,且保持原有热学性,接头焊缝区与热影响区硬度都略有增加,薄片层间温度处于非晶Fe78Si9B13的过冷液相区。
　　其次,采用有限元分析软件ANSYS模拟了多层Fe78Si9B13薄片的超声波焊接,建立了二维轴对称热源模型,得到焊接过程中的瞬态温度分布,结果表明,在超声时间0.22s和静压力1.37×103N下,两层薄片的接头界面最高温度536°C高于晶化转变温度495°C;三至五层薄片的界面最高温度分别为485°C、462°C和442°C,都处在过冷液相区;六层薄片的界面最高温度409°C低于玻璃转化温度420°C,论证了在一定工艺参数下多层非晶薄片超声连接后可避免晶化。
　　最后,论文开展了 Fe78Si9B13薄片和3003铝片的超声波焊接试验,各项测试结果表明,Fe78Si9B13/3003Al接头界面呈现一条清晰的焊缝,没有不良现象,非晶区可保持非晶态,焊缝区硬度可达6×102kg/mm2,接头拉伸剥离强度约为9.81×102N/m,其合理化工艺参数为:
　　(1)超声时间0.14s和静压力1.37×103N;
　　(2)超声时间0.15s和静压力1.14×103N。
　　非晶薄片和铝片的塑性流动是完成固态结合的关键因素。

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第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 非晶合金

1.3 超声波金属焊接

1.4 非晶合金的焊接研究

1.5 课题来源及研究内容

第二章 块体非晶合金超声波焊接制备材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

第三章 块体非晶合金超声波焊接制备结果与分析

3.1 焊接接头结构分析

3.2 焊接接头X射线衍射分析

3.3 焊接接头热学性能分析

3.4 焊接接头力学性能分析

3.5 多层薄片超声波焊接温度测试分析

3.6 焊接机理探讨分析

3.7 本章小结

第四章 块体非晶合金超声波焊接制备数值模拟

4.1 有限元分析模型

4.2 结果与分析

4.3 本章小结

第五章 非晶合金与铝合金超声波焊接研究

5.1 试验材料和方法

5.2 试验结果和讨论

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果