T2紫铜和1061铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究

摘要

铜和铝两种金属在物理和化学性能上存在较大的差异，传统焊接方法难以获得优质的对接接头。搅拌摩擦焊作为一种新型焊接技术，焊接过程中材料不发生融化、在塑形状态下完成焊接，可以有效减少缺陷的产生。搅拌摩擦焊技术广泛地应用在镁合金、铝合金等低熔点的同种或异种材料之间的连接。随着工业现代化的发展，轻量化是未来发展的必然趋势，铜铝复合结构不仅可以兼具两种材料的优点，还能减轻重量、节约成本，具有较高的研究价值。　　本文主要研究3mm厚T2紫铜和1061铝合金搅拌摩擦焊。旋转速度为1000-1200rpm，焊接速度为40-60mm/min工艺参数下，采用正交实验法设汁实验方案。T2紫铜置于后退侧、1060铝合金置于前进侧进行铜一铝搅拌摩擦焊焊接。采用X射线衍射(XRD)分析焊接接头处是否有金属间化合物生成。结合焊接过程中压力变化与表面宏观/微观形貌进行分析，探究工艺参数、压力和形貌三者之间的关系。选取较好焊接接头试样，研究材料流动、温度场和晶粒对硬度影响。通过对焊接接头抗拉强度、疲劳性能实验测试结果，探究工艺参数对焊接接头性能的影响。利用K型热电偶测量实际焊接过程中温度变化，建立工件瞬态温度场模型结合实际测量的温度结果，对焊接过程中温度场分布情况进行详细的分析。根据不同焊接参数热输入情况分析工艺参数对热输入的影响。　　旋转速度为1100rpm、焊接速度50mm/min下获得最佳抗拉强度，抗拉强度为193.155MPa，达到1061铝合金母材强度的85.5％。断口处析出物的颗粒较人，韧窝较深，说明接头性能较好。数据分析发现，旋转速度对拉伸实验结果的影响较焊接速度更显著。疲劳寿命可达到106以上，符合实际应用的需要。疲劳试样断裂位置多发生在焊缝区铜铝交界界面，分析认为与金属间化合物和铜粒的分布有关。　　观察铜-铝焊接接头组织结构发现，铝侧焊缝区(SZ)有规律地分布着相对较小的铜颗粒。搅拌头的作用下，搅拌区形成铜和铝的层状结构。部分试样XRD分析中发现可能存在AlCu、AlCu3和Al4Cu9三种脆硬金属间化合物(IMC)，IMC会严重影响接头性能，降低焊接接头疲劳寿命。降低热输入可以在一定程度上减少IMC。铜侧受热循环影响热影响区(HAZ)和热机影响区(TMAZ)晶粒变大，硬度略微降低，SZ晶粒细化硬度升高。铝侧TMAZ铝受金属问化合物影响硬度值明显提高，HAZ在热循环作用下变软，硬度明显下降。　　焊接过程中温度场呈现不对称分布，铜/铝两种材料性质不同，铝侧温度高于铜侧，最高温度为503.9℃，未超过1061铝合金熔点。旋转速度对温度峰值的影响符合随旋转速度的增加温度峰值增加的趋势，但差值较小，易受缺陷等外在凶素的影响。旋转速度通过影响焊接时间影响热输入量。焊接工艺参数对热输入的影响可以确定最佳热输入量大小，以便于根据环境不同调节焊接工艺参数。通过计算可以确定取得无缺陷焊接接头的热输入在800-835W之间，最佳焊接参数下热输入量为820W，热输入随旋转速度的增加而增加。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2搅拌摩擦焊简介

1．2．1搅拌摩擦焊的基本原理

1．2．2搅拌摩擦焊的特点

1．2．3铜铝搅拌摩擦焊的应用

1．3国内外铜铝搅拌摩擦焊研究进展

1．3．1焊接速度对焊接接头的影响

1．3．2旋转速度对焊接接头的影响

1．3．3搅拌头铜铝搅拌摩擦焊影响

1．4搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究

1．5本文研究内容

第二章实验和数值仿真方法

2．1铜铝搅拌摩擦焊实验

2．1．1实验设备

2．1．2实验材料

2．1．3搅拌头材料及规格

2．1．4焊接参数的选择及实验方案设计

2．2温度场测量

2．3有限元数值模拟理论

2．4焊接热分析模型

2．4．1热输入模型

2．4．2热传递模型

2．5温度场有限元建模

2．5．1几何条件及网格划分

2．5．2材料属性

2．5．3分析步

2．5．4相互作用、载荷和边界

2．5．5热源模型参数校准

2．6本章总结

第三章铜铝对接接头温度场

3．1温度场模拟与实际温度场对比分析

3．2温度场云图分析

3．3工艺参数对温度的影响

3．3．1旋转速度对温度的影响

3．3．2焊接速度对温度的影响

3．4工艺参数与热输入的关系

3．5本章总结

第四章铜铝对接接头组织结构

4．1对接接头宏观／微观组织

4．1．1金相试验

4．1．2宏观组织分析

4．1．3微观组织分析

4．2接头金属间化合物分析

4．2．1XRD试验

4．2．2接头金属间化合物

4．3本章总结

第五章铜铝搅拌摩擦焊对接接头力学性能

5．1铜铝接头拉伸性能

5．1．1拉伸试验

5．1．2对接接头抗拉性能

5．1．3断口扫描分析

5．2疲劳性能分析

5．2．1疲劳性能分析理论基础

5．2．2疲劳实验

5．2．3对接接头疲劳性能分析

5．3．1硬度试验

5．3．2硬度结果分析

5．3本章小结

第六章总结与展望

6．1本文研究总结

6．2未来展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢

附录