铝/铜旋转摩擦焊接头界面组织与性能不均匀性研究

摘要

采用具有良好导电和导热性能的铝代替铜不仅可以减少生产成本，还能减轻结构件重量。以铝代铜必然涉及铝/铜的连接。由于两者存在较大的热物理和化学性能差异，因此多采用固相焊技术，其中旋转摩擦焊是一种常用而有效的铝/铜连接技术。但该方法存在径向产热和变形不均的问题，破坏了接头结构完整性并影响接头的工程化应用，因此有必要对其进行深入的研究。 本文采用旋转摩擦焊技术对AA1060纯铝（Al）和T2紫铜（Cu）进行焊接。焊接完成后，对接头进行热处理。之后使用扫描电子显微镜、电子探针、X射线衍射仪、万能拉伸实验机、直流双臂电桥等测试分析设备，对接头组织和性能进行分析。主要研究结果如下： 研究表明，旋转摩擦焊实现了Al/Cu高强连接，整体接头在铝母材处断裂。但是由于接头中存在残余应力，强度并未达到最高。经过100℃/2h热处理后，接头残余应力得到消除，拉伸强度和弯曲角度得到提高；随着热处理温度增加，界面金属间化合物层厚度增加，接头力学性能降低。 接头力学和电学性能不均匀性研究发现，焊态下，接头中心位置力学性能最高，试样断裂在铝母材处，拉伸强度和延伸率分别为88MPa、20.2%，并且径向上随半径增加，力学性能降低。经100℃和250℃低温热处理后，接头中心位置的拉伸强度、延伸率降低，而边缘位置略有升高。经过400℃高温热处理后，中心和1/2R位置几乎没有连接强度，边缘位置强度和延伸率严重降低。经过100℃/2h热处理后，接头电阻率最小。低温热处理能够释放接头残余应力，使其电阻率降低，且电阻率从中心到边缘位置逐渐增大。当400℃热处理时，金属间化合物层厚度迅速增加，并且中心有微裂纹产生。这些因素都使得接头电阻率增加。 界面反应热力学与动力学研究发现Al/Cu界面各金属间化合物层的生长过程由元素扩散控制。不同位置各金属间化合物层生长速率均表现为边缘位置＞中心位置＞1/2R位置；各金属间化合物层的生长速率为Al4Cu9＞Al2Cu＞AlCu。计算接头边缘位置总金属间化合物层、Al2Cu、AlCu和Al4Cu9各金属间化合物层的生长激活能分别为：121.40kJ/mol、92.24kJ/mol、55.59kJ/mol和146.92kJ/mol。

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