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铝/铜搅拌摩擦焊工艺及材料工程性能研究

时间:2018-04-10 15:38来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇材料工程论文,材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究。
本文是一篇材料工程论文,材料工程是研究、开发、生产和应用金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料的工程领域。其工程硕士学位授权单位培养从事新型材料的研究和开发、材料的制备、材料特性分析和改性、材料的有效利用等方面的高级工程技术人才。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇材料工程论文,供大家参考。
 
第 1 章 绪 论
 
1.1 课题背景及意义
现代机器制造业向轻量化发展,保证设备可靠性的同时,要做到降低金属材料的消耗量,节约成本[1]。铜及铜合金导电率高、导热性好、耐腐蚀、加工成形性好等特点,广泛应用于电气、电子、化工、食品、动力及交通等工业部门,但铜在地壳中的含量(质量分数)仅为 0.01%,属于稀缺金属,国内每年需要进口大量铜材[2-3]。相比铜及其合金,铝合金具有密度低、耐腐蚀、强度高、热导率和电导率较好等特点而发展迅速,用量仅次于钢铁材料,成为第二大金属材料,广泛应用于航空、造船、高速列车和汽车等工业部门,与国民建设和国防建设息息相关,铝在地壳中的含量高达 8%,密度比铜小得多,很多性能接近铜,在部分结构中可以用铝合金代替铜,来减轻构件的重量。但是铝合金电阻率大于铜,大约是铜电阻率的 1.5 倍,有些不能用铝合金全部代替铜。为了充分利用 Al、Cu 及其合金各自的优异性能,铝/铜复合接头的应用越来越广泛,因此对铝/铜复合接头的制备与研究具有广泛的前景和深远的意义[4,5]。由于铝和铜的物理、化学性能差别比较大,其中熔点相差 423℃,线膨胀系数相差 40%以上,焊接过程中比较容易产生金属间化合物,导致铝、铜异种接头的组织与性能相对复杂很多。常规的扩散焊、钎焊、压力焊、熔焊等方法都难以形成接头质量优异的铝/铜复合接头,搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)是固相连接,因其热输入小、变形小等特殊的优异性,对铝/铜异种金属焊接接头的研究及应用成为研究的新方向。
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1.2 铝铜异种材料焊接性
异种金属焊接由于接头应力场分布不均匀、性能不均匀、组织不均匀与化学成分不均匀,相比于同种金属想要获得优质的焊接接头困难得多。想要获得质量优良的异种金属焊接接头,在考虑材料的固有属性的同时,要了解材料之间的相互作用,更要选择合适的焊接方法与焊接工艺。如果材料之间的物理性能存差异比较大,异种之间金属很难形成冶金结合;而且,接头应力与变形较大,且在热影响区易出现裂纹倾向。当异种材料的原子外层电子结构、原子半径、晶格类型等化学性能差异较小时,它们之间的互溶性比较好,焊接时脆性金属间化合物出现的可能性较小,焊接性好[6]。Al和Cu在高温状态下能够无限固溶,Al在Cu中的溶解度随温度的下降而降低,易产生 Al/Cu 金属间化合物,可以通过降低接头 Cu 含量、缩短与液态 Al 的接触时间等来提高接头塑性与强度。铝/铜接头产生的脆性金属间化合物,同样需要经历孕育、形核及长大(或者增厚)的过程。铝/铜之间金属化合物的生成比铝/钢及铝/镍要快得多,铝/铜之间的接头在 400℃、360min 时间内,就可达到 3-4μm 厚。已经发现,在金属间化合物的孕育期形成牢固的接头。所以,我们可以将焊接加热时间限制在孕育期内,以避免金属间化合物的生成。对铝/铜材料的焊接接头来说,金属间化合物的生成厚度与加热温度和保温时间之间的关系如图 1-1 所示。因此,铝/铜材料的焊接,熔化焊用得较少。
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第 2 章 实验材料、设备及方法
 
2.1 实验材料及设备
2.1.1 实验材料
对接实验所需材料选取 2mm 厚的 1060 铝和 T2 紫铜,试件尺寸为 300×100mm,搭接实验所需材料选取 2mm 厚的 6082-OT 铝合金和 T2 紫铜,试件尺寸为300×100mm,它们的主要化学成分、性能如表 2-1、2-2、2-3、2-4 所示。如图 2-1 所示,为实验室配备的 FSW-LM-BM16-2D 型专用龙门式搅拌摩擦焊设备,是一台焊接实验的专用焊机,能焊接的最小厚度为 2mm,最大可达到 16mm,可焊接直线及平面曲线焊缝。在焊接过程中,焊机主轴最大的焊接旋转速度为2000r/min,焊接的行走速度最大可达到 3000mm/min,该设备中配有 CSFW-B800 型专业搅拌摩擦焊数控系统,操作人员可以通过该系统进行编程,提前设定好焊接实验所需要各种工艺参数,包括搅拌头转速、焊速、下压量以及下压力等,以此来达到机械化、自动化。
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2.2 搅拌摩擦焊工艺试验
在焊接试验前,首先用丙酮清洗焊接试板的表面油污,再用纱布除去氧化膜使其露出清洁的金属表面,并用酒精清洗吹干,然后将待焊件固定在工作台上,等待进行铝/铜板的搅拌摩擦焊工艺试验。对接试验中,铜板放置在前进侧,搅拌轴肩直径为 10mm,带螺纹锥形搅拌针,长度为 1.8mm,如图 2-4 所示。搭接实验将采用两种方式,铝、铜板分别作为上层板进行搭接成形,搅拌轴肩直径为 18mm,带螺纹锥形搅拌针,长度为 3.8mm,如图 2-5(a)、(b)所示。试验研究技术路线如图 2-6 所示。搅拌头焊接工艺参数与焊接热输入的关系密切,不同热输入下,搅拌区材料的塑性流动状况不同,导致接头横截面宏观形貌存在差异,通过对接头宏观形貌的分析,研究工艺参数对接头材料流动性的影响及接头异种材料的流动规律。接头的微观组织与接头性能密切相关,而焊接参数变化是影响接头组织的重要因素。因此,本试验沿垂直焊缝方向切取金相试样,并对试样进行研磨、抛光、腐蚀,观察不同参数下接头微观组织形貌,研究工艺参数对接头微观组织形貌的影响。
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第 3 章 铝/铜异种材料搅拌摩擦焊对接工艺及性能研究.......17
3.1 接头外观形貌分析.......18
3.2 接头横截面宏观形貌分析...........19
3.3 接头微观组织分析.......22
3.4 接头 XRD 与 EDS 分析..............24
3.5 接头力学性能分析.......28
3.6 本章小结......31
第 4 章 铝/铜异种材料搅拌摩擦焊搭接工艺及性能研究.......33
4.1 搭接接头横截面微观组织结构分析............34
4.2 接头 XRD 与 EDS 分析..............38
4.3 接头显微硬度分析.......43
4.4 接头剪切拉伸性能分析..............45
4.5 接头断口形貌分析.......46
4.6 本章小结......50
 
第 4 章 铝/铜异种材料搅拌摩擦焊搭接工艺及性能研究
 
由于铝、铜的导热率较高,铝铜复合接头广泛应用于各类散热器的连接,已知铜的热传导系数约是铝的 1.69 倍,单位时间内铜比铝能从导热介质中带走更多热量;而铝的比热容比铜大 2.33 倍,其散热能力为铜的 2.33 倍,目前铝铜接头散热器逐渐取代传统的铜制散热器与铝制散热器,如图 4-1 所示,为目前铝铜复合接头散热器的几种形式。针对铝铜复合板散热器的特点,本章采用搅拌摩擦焊焊接 2mm 厚 6082/ T2 搭接接头,并对接头的外观成型、宏观形貌、微观组织、相组成及力学性能进行研究,分析搭接接头的界面结构及接头力学性能的影响因素。铜板为上层板焊接工艺参数为:搅拌头转速n为600~1200r/min,焊速v为30~60mm/min,轴肩下压量d为0.15mm。铝板为上层板工艺参数为:搅拌头旋转速度 n 为 600~1400r/min,焊接速度 v 为30~70mm/min,轴肩下压量 d 为 0.15mm。焊接工艺参数是影响焊接接头质量的重要因素,搅拌摩擦焊过程中焊接热输入与搅拌头转速、焊速密切相关。搅拌区金属在焊接热输入的作用下形成塑性软化层,在搅拌针的旋转与挤压作用下,实现材料的固相连接。当焊接热输入过低时,焊缝金属不能形成热塑性流动及迁移,造成焊核区材料不能完全塑化,及时补给搅拌头行进留下的瞬时“空腔”,从而产生严重的隧道、沟槽缺陷,不能实现固相连接[54]。随FSW热输入的增大,焊缝区材料达到热塑性流动状态,实现有效的固相连接,但由于Cu的黏度升高,焊缝表面有毛刺出现,但不影响接头力学性能;随热输入的继续升高,焊缝出现飞边及毛刺,并伴有细微的氧化发黑。
 
4.1 搭接接头横截面微观组织结构分析
铝、铜相对位置不同,铝/铜搭接接头的宏观形貌不同,图 4-2、4-3 分别为 T2紫铜板、6082 铝板作为上层板,不同转速、焊速下 Al/Cu 搅拌摩擦焊搭接接头横截面宏观形貌。在铝/铜 FSW 搭接试验过程中,上层板与搅拌轴肩直接接触,并在搅拌头高速旋转与挤压变形的共同作用下,发生剧烈的塑性变形并产生相对运动;轴肩、搅拌针与上层板摩擦产生大量的摩擦热,通过热传导的方式到达下层板,下层板受热发生热塑性变形。焊接过程中,前进侧在搅拌头旋转与力的作用下,向后退侧与下层板侧运动,下层板填充上层板迁移留下的“瞬时空腔”,形成独特的“钩状自锁紧”结构,如图 4-1、4-2 所示。图 4-2(a)可以看出,在焊核区有孔洞缺陷,这是由于搅拌头转速较低,搅拌区金属塑性流动较差,来不及填充搅拌头留下的瞬时空腔,从而形成了孔洞缺陷。从图 4-2(b-d)可以看到,铝铜界面结合良好,无明显的缺陷,随焊接速度的减小,铝、铜之间的相互扩散程度先增大后减小。这是由于,随焊接速度的降低,焊接热输入量逐渐升高,焊缝金属的流动性增强,促使搅拌区的铝、铜材料之间的相互混合扩散;随焊接热输入的进一步升高,焊缝金属的粘度增加,使搅拌区的金属不能打碎,从而形成金属条带,使搅拌区铝、铜材料呈条带交互结构。铝、铜金属之间的相互扩散增加了 Al、Cu 之间的有效接触面积,一定程度上使 Al、Cu 界面结合力增大,从而提高搭接接头抗剪切性能。
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结 论
 
本文利用搅拌摩擦焊技术,成功获得了成型良好、无缺陷的 1060/T2 对接及6082/T2 搭接接头。并对接头的宏观形貌、微观组织及力学性能等进行分析和讨论,综合全文研究,得出以下结论:
1) 1060/T2 搅拌摩擦焊对接试验中,当向 Cu 偏移 1.6mm、下压量为 0.15mm 时接头成型最好。焊核区的铝、铜晶粒在动态再结晶的作用下明显细化。铜/焊核区界面过渡区域形成片层状和涡流状铝、铜交互结构,促进了两种材料间的冶金结合。
2) 1060/T2 对接接头中当焊接方向平行轧制方向时接头的性能更好。当转速1500r/min、焊速 100mm/min 时,最大抗拉强度为 141MPa,达到了 1060 铝母材的95%。当焊接方向与轧制方向垂直时,界面处形成薄的、均一、连续的 Al2Cu 与 Al4Cu9金属间化合物层,而平行轧制方向时,只发现了 Al2Cu 相,金属间化合物的存在降低了接头的性能。1060/T2 对接接头断裂方式为韧-脆混合断裂。3) 6082/T2 搅拌摩擦焊搭接试验中,焊核区组织明显细化并呈“洋葱环”状。接头硬度呈“W”形,焊核区发生动态再结晶使晶粒细化,硬度值上升,而热影响区受到热循环的作用,晶粒长大,使硬度值降低.
4) 6082/T2 搭接接头中,当铝板为上层板时接头的性能更好。铝板为上层板搭接接头剪切载荷最大为 3.341KN,接头横截面没有脆性金属间化合物生成,铜板为上层板搭接接头剪切载荷最大为 2.266KN,接头出现了 Al2Cu 相,脆硬的 Al2Cu 金属间化合物阻碍接头铝、铜之间的结合,导致铜板为上层板接头性能较低。搭接接头断裂方式为韧-脆混合断裂。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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