铜铁低维材料的电容储能冲击焊接研究

摘要

微焊接技术作为近些年来新兴的焊接技术直接推动着制造技术向微型化方向发展,而电容储能焊是一种极具发展潜力微焊接方法。因此,本文应用电容储能原理,设计并制造一台电容储能冲击焊机。利用该焊机对异种金属铁、铜的细丝和薄板进行了焊接试验,对不同焊接参数下焊接接头进行拉伸试验,探索了电容容量、充电电压、金属丝尖端锥角和焊接介质(机油)对断裂拉力的影响。利用扫描电子显微镜(SEM)、金相显微镜(OM)对焊接接头的组织及形貌进行了观察分析,研究取得了以下成果：设计制造出的电容储能冲击焊机,可实现异种金属铁、铜细丝和薄板之间的焊接。焊机参数为：充电电压0～70V,电容容量10mF～80mF,冲击力0～40N。当C=60mF, U=68V,α=50°,且添加机油时,铁丝-铜板焊接接头的断裂拉力值达到最大值350N。当C=60mF,U=60V,a=160°时,铜丝-铁板焊接接头的断裂拉力值达到最大值193N。焊接接头熔合区组织具有明显的快速凝固特征。铁丝-铜板的焊接接头熔合区由5～10μm的柱状晶和1～3μm的等轴晶组成；铜丝-铁板的焊接接头熔合区由胞状树枝晶组成,胞状晶的晶粒尺寸为2～5μm。作为焊接介质,机油的加入增大了熔合区的冷却速率,细化了焊接接头的组织,但减小了熔合区的宽度。应用一维热传导方程揭示了焊接熔合区在冷却过程中温度与时间、位置之间的关系。并利用金相分析法估算了铜丝-铁板熔合区的凝固速率约为105K/s。

目录

摘要

Abstract

1 前言

1.1 微焊接的背景

1.2 微焊接技术的特点

1.3 微焊接的主要方法

1.3.1 钎焊

1.3.2 熔焊

1.3.3 压焊

1.4 微型零件的电容储能焊接

1.4.1 电容储能焊的特点

1.4.2 微型零件电容储能焊的研究现状

1.5 问题的提出

1.6 本课题研究意义及内容

2 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验方法

2.3.1 焊接材料加工及焊前处理

2.3.2 电容储能冲击焊接试验

2.3.3 接头抗拉强度试验

2.3.4 焊接接头组织观察

3 电容储能冲击焊机的设计与制作

3.1 电容储能冲击焊机工作原理

3.2 焊接热量理论计算

3.3 焊机电路设计及主要元件选择

3.4 焊机控制面板设计

3.5 焊接装置原理及主要零件选择

3.6 电容储能冲击焊机的组装及调试

3.7 电容储能冲击焊机的操作

3.8 本章小结

4 工艺参数对接头力学性能的影响

4.1 工艺参数的影响机理

4.2 铁丝-铜板接头力学性能分析及讨论

4.2.1 尖端锥角对接头断裂拉力的影响

4.2.2 焊接能量对接头断裂拉力的影响

4.2.3 焊接介质对接头断裂拉力的影响

4.3 铜丝-铁板接头力学性能分析及讨论

4.3.1 尖端锥角对断裂拉力的影响

4.3.2 焊接能量对断裂拉力的影响

4.3.3 焊接介质对断裂拉力的影响

4.4 本章小结

5 焊接接头组织形貌分析及讨论

5.1 焊接接头宏观形貌

5.2 接头微观组织及形貌分析

5.2.1 焊接试样原始组织

5.2.2 铁丝—铜板接头组织及形貌分析

5.2.3 铜丝—铁板接头组织及形貌分析

5.3 机油对焊接接头微观组织影响

5.3.1 铁丝—铜板接头组织分析

5.3.2 铜丝—铁板接头组织分析

5.4 冲击力作用下的焊接接头微观组织

5.5 接头缺陷分析

5.5.1 未完全焊合

5.5.2 焊接接头气孔

5.6 本章小结

6 铜铁电容储能冲击焊过程分析

6.1 焊接过程分析

6.2 焊接凝固过程分析

6.3 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

附录1 焊接装置设计图

附录2 焊接装置零件图

附录3 控制面板设计图

附录4 温度场模拟计算源代码

作者攻读硕士期间发表论文