13開題報(bào)告精品銅鋁異種金屬的攪拌摩擦焊工藝

1、南昌航空大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文1、選題的依據(jù)及意義現(xiàn)代機(jī)器制造業(yè)最迫切的問題之一是在提高結(jié)構(gòu)和設(shè)備工作技術(shù)性能和可靠的同時(shí)，降低金屬消耗量1。 隨著汽車、航空航天、核電等行業(yè)不迅速發(fā)展，人類對(duì)銅的需求量不斷增大，尤其是我國作為一個(gè)迅速發(fā)展的工業(yè)國家，對(duì)銅的需求更是迫切。但銅為稀缺金屬屬于戰(zhàn)略資源，國內(nèi)每年需要進(jìn)口大量銅材2。 銅具有極好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性，良好的常溫和低溫塑性，以及對(duì)大氣、海水和其他化學(xué)藥品的耐蝕性。鋁及鋁合金同樣具有優(yōu)異的物理特性和機(jī)械特性，如密度低、比強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、電導(dǎo)率高、耐腐蝕能力強(qiáng)。而且地球上鋁的儲(chǔ)量遠(yuǎn)高于銅，價(jià)格只是銅的近1/3。所以無論是從人類的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，還是從企

2、業(yè)的近期利益來看，在某些場(chǎng)以鋁部分或全部的替代銅都是末來的發(fā)展趨勢(shì)，而且以鋁部分取代銅還能減輕制造體的總體重量。但是要想以鋁代銅的關(guān)鍵問題便是銅/鋁的連接問題，只有銅/鋁獲得良好的連接效果才能以鋁代銅。目前銅/鋁的焊接方法主要有釬焊、熔化焊、壓力焊。熔焊時(shí)銅/鋁兩種金屬在一定的比例成分下會(huì)生硬脆的cual2等金屬間化合物，這些金屬間化合物的生成會(huì)極大地降低焊接接頭的力學(xué)性能3。攪拌摩擦焊(fricton stir welding，簡(jiǎn)稱fsw)是一種固相連接方法，具有優(yōu)質(zhì)、高效、無污染、焊接變形小等特點(diǎn)，在異種材料連接方面有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。焊接過程中金屬不發(fā)生熔化從而能夠避免產(chǎn)生氣孔、裂紋等缺陷；通過

3、調(diào)節(jié)焊接參數(shù)?？梢詼p少焊縫中金屬問化合物的數(shù)量，獲得連續(xù)、致密的接頭組織。開展銅/鋁攪拌摩擦焊研究與應(yīng)用有著重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。2、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)2.1 銅/鋁傳統(tǒng)焊接方法焊研現(xiàn)狀2.1.1 銅/鋁釬焊研究現(xiàn)狀近年來，國內(nèi)外研究者從工藝參數(shù)制定、焊后結(jié)合界面組織、接頭使用性能評(píng)定等方面對(duì)銅/鋁焊接做了大量研究，各種先進(jìn)的連接方法得以采用；對(duì)于銅/鋁焊接接頭的推廣應(yīng)用，以及銅/鋁異種金屬的焊接理論的研究具有重要的意義4。劉鳳美等5進(jìn)行了cu元素對(duì)鋁/銅釬焊用zn-al釬料性能的影響的研究，研究結(jié)果表明： zn-10al釬料中添加cu元素，可提高釬焊接頭的強(qiáng)度。隨釬料中cu含量的增

4、加，其釬焊強(qiáng)度先增后降；zn-10al釬料中添加cu元素后釬焊接頭焊縫中銅側(cè)界面上組織變細(xì)?。划?dāng)cu含量達(dá)7%時(shí)，斷裂發(fā)生在釬料層基體中；釬料中cu含量過高時(shí)，在銅界面上生成層狀相。小山等6采用al-si-mg-bi釬料真空釬焊cu/al接頭的研究表明：合適的釬焊溫度為520540，接頭區(qū)有cual2、cu3al2兩種金屬間化合物生成。斷裂破壞發(fā)生在金屬間化合物處，70%發(fā)生在cual2相上，接頭強(qiáng)度主要由生成的金屬間化合物類型決定，焊接條件影響較小。王冠等7在cu在純鋁基體中的擴(kuò)散行為研究中認(rèn)為：在釬焊溫度低、保溫時(shí)間較短的條件下，cu元素在基體內(nèi)部尚未充分?jǐn)U散，在基體晶界上嚴(yán)重偏析，生成a

5、1-cu相中最脆的相(cual2)。隨著保溫時(shí)間的延長有利于cu元素在a1基體中的擴(kuò)散效果，但過高的釬焊溫度又導(dǎo)致相的重新出現(xiàn)。閆飛等8在對(duì)銅/鋁異種金屬釬焊研究表明：銅/鋁異種金屬釬焊過程中出現(xiàn)的缺陷有：在焊縫中生成金屬間化合物(脆性相)、母材溶蝕、釬縫腐蝕、釬縫不連續(xù)、釬縫氧化等。針對(duì)釬焊過程中出現(xiàn)的缺陷，主要從工藝參數(shù)方面采取有效措施予以解決，如選用與母材匹配的釬料，制定合理的釬焊溫度和冷卻速率，適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間，cu元素的進(jìn)一步擴(kuò)散也生成金屬間化合物。2.1.2銅/鋁熔化焊研究現(xiàn)狀銅/鋁熔化焊主要包括tig焊、mig焊、氣焊、埋弧焊、激光焊和電子束焊等方法。其熔化焊過程中，由于銅和鋁的熔

6、點(diǎn)相差較大，往往造成鋁熔化了而銅還處于固態(tài)，易形成未熔合和夾雜，焊接難度較大。銅和鋁強(qiáng)烈氧化形成氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和結(jié)晶水，容易在焊縫中產(chǎn)生氣孔等缺陷。銅/鋁熔焊過程極易產(chǎn)生脆性金屬間化合物，接頭的強(qiáng)度隨著金屬間化合物的增加而降低，必須將焊縫中金屬間化合物脆性層控制在1m以下，且焊縫中cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)在12%以下時(shí)才具有最佳綜合性能9。mai等10采用350wnd：yag激光焊成功地對(duì)1mm厚的銅和鋁進(jìn)行了焊接。研究表明：由于激光輸入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)能量分布的控制，極大減小連接金屬間的相互作用，避免脆性金屬間化合物的產(chǎn)生，使異種金屬的焊接能夠得到滿意

7、的接頭。2.1.3銅/鋁電阻焊研究現(xiàn)狀劉忠翔等11經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)證明銅/鋁可以用點(diǎn)焊焊接的。關(guān)鍵是解除鋁的氧化層的影響，而交流焊時(shí)的焊接壓力，電磁攪拌力可使氧化層破碎分解及清除。他提出了銅/鋁過渡接頭的點(diǎn)焊新方法：即鋁的電極電位為-1.66v， 銅的電極電為+0.52 v，存在著明顯的電位，當(dāng)大電流流經(jīng)接觸處時(shí)往往在接觸處將鋁線燒斷（像刀切的一樣整齊）， 這就提出了消除接頭處電位差的銅/鋁過渡接頭問題。但在銅/鋁的點(diǎn)焊過程中，鋁、銅、鎢三種金屬接觸時(shí)，存在著電位差， 通電后易產(chǎn)生熱活化能。同時(shí)銅、鋁均屬于面心立方晶格，點(diǎn)陣數(shù)又互相接近，因而能無限固溶。在壓力、熱活化和電磁攪拌力的作用下，產(chǎn)生間隙

8、固溶、置換固溶和擴(kuò)散、實(shí)現(xiàn)異種金屬的焊接。由于鋁、銅接觸處鋁液面的變更和銅的再結(jié)晶溫度低，在鍛壓力作用下可以獲得消除接觸電位差的牢固的可靠的焊接頭，而得到良好銅/鋁過渡接頭，因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。劉英才等12對(duì)1060鋁管和紫銅（t2）進(jìn)行了點(diǎn)焊，焊后利用sem、eds等技術(shù)對(duì)銅/鋁管焊接界面進(jìn)行了研究，并結(jié)合cu-al二元相圖進(jìn)行界面分析，研究結(jié)果表明：銅/鋁連接管的焊接界面處，銅與鋁進(jìn)行了原子的相互擴(kuò)散，且銅原子向鋁側(cè)擴(kuò)散的深度比鋁原子向銅側(cè)擴(kuò)散的深度要大；背散射電子照片顯示出銅/鋁連接管的焊接界面由白色柱狀和灰白相間的層片組織構(gòu)成。柱狀晶為cual2相，而灰白相間的層片組織為a-al與

9、cual2的共晶；界面處的柱狀晶十分細(xì)小，提高了接頭的強(qiáng)度，而生成的共晶組織由于層間距很小，也能提高材料的力學(xué)性能，但過多的共晶組織會(huì)增大材料的脆性，導(dǎo)致接頭性能下降，所以要尋找更佳的工藝參數(shù)來減少共晶組織的形成，提高銅/鋁接頭的性能。2.2銅/鋁攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀攪拌摩擦焊(frict1onstriwelding，簡(jiǎn)稱fsw)是一種基于摩擦焊的固相連接技術(shù)，是英國焊接研究所(twi)于1991年發(fā)明的一種新型固相焊接工藝。攪拌摩擦焊在焊接過程中不需要添加保護(hù)氣體和焊絲，而且還具有無煙塵、無氣孔、無飛濺、焊后接頭晶粒細(xì)小、殘余應(yīng)力小和變形小等優(yōu)點(diǎn)。由于其焊接特點(diǎn)的獨(dú)特性及優(yōu)越性，這種新型的連接

10、技術(shù)自問世以來，就受到焊接界的廣泛關(guān)注，各種材料的攪拌摩擦焊焊接性能研究也成為這種焊接方法基礎(chǔ)研究的一個(gè)重點(diǎn)。到目前為止，對(duì)攪拌摩擦焊的研究已經(jīng)從鋁合金的焊接向其它金屬的焊接如銅、鈦、鎂、不銹鋼及碳鋼等方面發(fā)展。拌摩擦焊焊接過程是將一個(gè)帶有攪拌針和軸肩的特殊形式的攪拌頭伸入工件的接縫處，軸肩緊靠工件上表面，通過攪拌頭的高速旋轉(zhuǎn)，使其與焊接工件材料摩擦，從而使連接部位的材料溫度升高軟化達(dá)到熱塑性狀態(tài)，同時(shí)對(duì)材料進(jìn)行攪拌驅(qū)動(dòng)，熱塑性金屬向后方流動(dòng)來完成焊接的。焊接過程如圖1.1所示圖1.1 攪拌摩擦焊焊接過程圖劉會(huì)杰等13認(rèn)為：銅/鋁攪拌摩擦焊接參數(shù)范圍較窄，在對(duì)接過程中，通過調(diào)整材料的相對(duì)位置，

11、攪拌針相對(duì)配合面的偏移量以及對(duì)銅側(cè)進(jìn)行預(yù)熱等工藝措施可以提高接頭的質(zhì)量。另銅/鋁攪拌摩擦焊接頭中由于缺陷和硬脆金屬間化合物的存在，導(dǎo)致強(qiáng)度、斷后伸長率均與母材有較大差距。同時(shí)，金屬間化合物的存在也加大了接頭硬度分布的波動(dòng)，但接頭硬度的最低值仍然出現(xiàn)在熱影響區(qū)中。并且由于兩種材料流動(dòng)特性的差異，焊核兩側(cè)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)。焊核中存在al2cu、alcu、al4cu9等多種金屬間化合物，其分布形態(tài)、尺寸和數(shù)量對(duì)接頭性能有較大影響?？吕杳鞯?4進(jìn)行了鋁合金與工業(yè)純銅、鋁合金與低碳鋼的攪拌摩擦焊接實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該試驗(yàn)條件下，選用恰當(dāng)?shù)暮附庸に噮?shù)能實(shí)現(xiàn)鋁合金/純銅、鋁合金/鋼等異種金屬的攪拌摩擦焊連

12、接，且接頭的組織、性能優(yōu)良；焊接工藝參數(shù)w/v的匹配是保證接頭致密性和決定組織、性能的關(guān)鍵因素，在高的攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度w下能實(shí)現(xiàn)高速焊接；異種金屬攪拌摩擦焊接頭的渦流狀交迭區(qū)，反映了攪拌摩擦焊過程中接頭金屬發(fā)生了塑性流動(dòng)，接頭局部點(diǎn)硬度的突變表明有新物質(zhì)生成。對(duì)鋁合金/純銅接頭進(jìn)行x射線物相分析表明其為al3.892cu6.108形金屬間化合物；用攪拌摩擦焊方法焊接容易形成金屬間化合物的異種材料時(shí)，對(duì)于薄板，形成良好焊縫成型的規(guī)范參數(shù)范圍較寬，對(duì)于厚板，形成良好焊縫成型的規(guī)范參數(shù)范圍較窄。據(jù)misharra.r s等15的報(bào)道，在相同的參數(shù)下，選擇與鋁、銅摩擦系數(shù)大的攪拌頭材料可以增大焊接過程中

13、的熱輸入量，提高被焊材料的塑性變形。但也容易發(fā)生被焊材料與攪拌頭的粘連，造成焊縫表面成型質(zhì)量低下，甚至出現(xiàn)溝槽型缺陷。在對(duì)接攪拌摩擦焊過程中，板厚也對(duì)焊接參數(shù)的選取有影響?？吕杳?4發(fā)現(xiàn)。對(duì)于2mm厚的焊件，工藝參數(shù)范圍為轉(zhuǎn)速3751180r/min，焊速30-150mm/min：而對(duì)于3mm厚的焊件工藝參數(shù)范圍相應(yīng)變窄。而且攪拌頭易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。嚴(yán)鏗等16對(duì)4mm厚的5a05鋁合金/ t2紫銅薄板的攪拌摩擦焊接頭組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：在純銅與鋁合金的攪拌摩擦焊時(shí)，把純銅放在前進(jìn)側(cè)，鋁合金放在后退側(cè)，攪拌工具的特形指棒偏鋁合金側(cè)0.9mm，工件預(yù)熱至200，當(dāng)前進(jìn)速度為40mm/min

14、，轉(zhuǎn)速為1250r/min時(shí)，攪拌摩擦焊的焊縫成型良好；在焊核區(qū)形成了一層精細(xì)的薄層間混結(jié)構(gòu)，并且有明顯的塑性流線特征。顯微組織觀察表明，在焊核區(qū)和兩側(cè)的塑性轉(zhuǎn)變區(qū)晶粒均發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶；鋁合金在純銅側(cè)的擴(kuò)散程度比純銅在鋁合金側(cè)的擴(kuò)散程度大1倍。其中，純銅在鋁合金側(cè)擴(kuò)散的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大約為3.65%，而鋁合金向純銅側(cè)擴(kuò)散較多，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為7.02%。 l.e.murr等17研究了紫銅與6061鋁合金的攪拌摩擦焊。焊縫的顯微組織分析顯示焊核組織是由動(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒和致密的層疊狀微觀組織構(gòu)成，具有明顯的晶粒細(xì)化的特征，其形狀為漩渦狀或類漩渦狀。當(dāng)銅放在前進(jìn)邊時(shí)，可獲得了良好的接頭。動(dòng)態(tài)再結(jié)晶使得焊核層疊

15、組織中銅的晶粒小于母材的晶粒。 2.3其他異種材料的攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀2.3.1 異種鋁合金的攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀劉小文等18研究了純鋁l6與鋁合金ly12異種材料攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭成型及力學(xué)性能的影響。發(fā)現(xiàn)焊接工藝參數(shù)對(duì)接頭強(qiáng)度影響的顯著性順序?yàn)閴毫?、焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度。對(duì)于5mm厚l6/ly12板材，最優(yōu)工藝參數(shù)為焊接壓力為2500n、焊接速度37.5mm/min及攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度950r/min。在此焊接參數(shù)下，接頭的抗拉強(qiáng)度為115mpa。劉鴿平等19用攪拌摩擦焊方法進(jìn)行了lf6/ld31異種鋁合金鎖底接頭焊接 ，研究了攪拌頭軸肩下壓量對(duì)焊縫成型的影響，分析 了接頭的截面

16、型貌及力學(xué)性能。結(jié)果表明：攪拌頭軸肩下壓量對(duì)焊縫成型有重要的影響。組織分析表明，在焊縫橫截面， lf6鋁合金與 ld31鋁合金在焊核區(qū)被充分混合，并在焊核下部形成條帶狀的組織焊核區(qū)，由于受到攪拌頭攪拌針的強(qiáng)烈攪拌作用，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，由母材原始的板條狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的等軸再結(jié)晶組織。熱力影響區(qū)晶粒隨著向焊核靠近而逐漸變小且發(fā)生了明顯的變形。當(dāng)焊接工藝合適時(shí)接頭抗拉強(qiáng)度可達(dá)316mpa，達(dá)到母材強(qiáng)度，斷裂部位多位于焊核與ld31鋁合金的交界面。于勇征等20對(duì) lf6/ld10鋁合金攪拌摩擦焊的工藝試驗(yàn)進(jìn)行了研究，分析了工藝參數(shù)對(duì)其接頭性能的影響。結(jié)果表明：當(dāng)攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度值較低時(shí)，提高焊接

17、速度有利于提高接頭的抗拉強(qiáng)度值。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度值較高時(shí)，提高焊接速度對(duì)接頭性能的影響不大。焊接速度較低時(shí)，改變旋轉(zhuǎn)速度對(duì)于接頭的力學(xué)性能影響不大；焊接速度較高時(shí)，提高旋轉(zhuǎn)速度將會(huì)降低接頭的力學(xué)性能。其它參數(shù)相同的條件下，材料所處的位置對(duì)接頭拉伸性能的影響不大。其它條件相同，在焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度都較低時(shí)，使用無螺紋的攪拌頭所得到的接頭性能要優(yōu)于帶有螺紋的攪拌頭施焊所得接頭的性能；在焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度都較高時(shí)，攪拌針上的螺紋對(duì)于接頭的力學(xué)性能的影響不大。2.3.2 異種銅合金的攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀劉小文等21用攪拌摩擦焊焊接了3mm的紫銅板和黃銅板。研究了紫銅和黃銅攪拌摩擦焊接的可行性，對(duì)焊接接頭的金相

18、組織進(jìn)行了分析，并通過拉伸實(shí)驗(yàn)、硬度分析、彎曲實(shí)驗(yàn)對(duì)接頭的性能進(jìn)行了驗(yàn)證 。結(jié)果表明：紫銅黃銅具有良好的攪拌摩擦焊接性能，可獲得與母材等強(qiáng)度的攪拌摩擦焊接接頭。焊合區(qū)在熱力偶合作用下獲得動(dòng)態(tài)再結(jié)晶組織，接頭黃銅一側(cè)熱影響區(qū)沿厚度方向上下不同，下側(cè)可分為再結(jié)晶區(qū)、不完全再結(jié)晶區(qū)、動(dòng)態(tài)回復(fù)區(qū)；上側(cè)出現(xiàn)明顯的偏析現(xiàn)象；接頭紫銅一側(cè)熱影響區(qū)出現(xiàn)明顯的須狀組織，并有晶粒微溶的跡象。達(dá)朝炳22用攪拌摩擦焊焊接了厚度分別均為4mm和2mm的t2h62，焊接結(jié)果表明：紫銅黃銅接頭內(nèi)晶粒大小分布差異較大，焊核區(qū)內(nèi)的紫銅晶粒要大于黃銅晶粒。在黃銅熱機(jī)械影響區(qū)出現(xiàn)一定寬度的組織變形過渡帶，過渡帶晶粒大小及變形程度取

19、決于摩擦頭的旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度。接頭內(nèi)紫銅與黃銅交界處主要是由金屬鍵連接，在兩者之間存在過渡物質(zhì)，x射線衍射分析為cu5zn8，過渡帶寬度約為1-10mm。焊接后接頭顯微硬度出現(xiàn)了不同程度的軟化，黃銅側(cè)軟化幅度要大小紫銅側(cè)，焊接接頭在力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)時(shí)的斷裂處出現(xiàn)兩種材料相互混合夾層，斷裂偏向紫銅側(cè)，接頭的平均抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于黃銅fsw接頭的平均抗拉強(qiáng)。劉孟23對(duì)黃銅/紫銅進(jìn)行了攪拌攪拌摩擦焊研究，研究結(jié)果表明：異種材料的攪拌摩擦焊連接時(shí)，不僅受焊接參數(shù)的影響，焊前板材的預(yù)置位置和焊針的插入位置也是一個(gè)不可忽視的因素。通過大量試驗(yàn)證明攪拌摩擦焊工藝對(duì)黃銅和紫銅異種材料的連接是可行的。黃銅與紫銅對(duì)接試

20、驗(yàn)的最佳焊接工藝參數(shù)是:旋轉(zhuǎn)速1445r/min、焊接壓力73.3-80.5n/mm2、焊接速度14.6mm/min左右時(shí)，且焊前紫銅位于前進(jìn)側(cè)，焊針偏向于紫銅側(cè)。黃銅和紫銅的對(duì)接接頭的焊縫區(qū)硬度波動(dòng)很大，某些點(diǎn)的硬度甚至高于黃銅母材的硬度，但焊縫平均硬硬度值高于紫銅。2.3.3 鋁合金/鋼的攪拌摩擦焊研究柯黎明14用攪拌摩擦焊對(duì)lf6鋁合金和q235低碳鋼板進(jìn)行了搭接焊和對(duì)接焊。發(fā)現(xiàn)在鋁合金與鋼攪拌摩擦焊對(duì)接接頭中新生成了金屬間化合物，其成分是fe3al，該化合物具有較高的硬度和脆性，對(duì)焊縫性能有不利的影響。搭接接頭橫截面中鋼深入到鋁合金母材里，并形成了形似“鉗子”的突出部分，如圖2-1示。

21、研究認(rèn)為，這種“鉗子”結(jié)構(gòu)增大了了鋁板和鋼板之間的機(jī)械結(jié)合力，使得接頭機(jī)械性能提高。圖2-1 鋁合金與鋼攪拌摩擦焊搭接接頭截面形態(tài)kimapong24采用攪拌摩擦焊對(duì)接接頭焊接了2mm厚的aa5083鋁合金和ss400低碳鋼。發(fā)現(xiàn)在同樣的焊接參數(shù)下鋼位于前進(jìn)邊時(shí)可以獲得良好的接頭；鋼位于返回邊時(shí)，無法獲得無缺陷的接頭。在其對(duì)接接頭中沒有洋蔥環(huán)狀形貌，而是不連續(xù)的鋼條帶沿類似漩渦流線方向分布于鋁合金基體中。在焊核的上部，鋼條帶和鋁合金基體的界面處有少量的金屬間化合物，可能是feal3。產(chǎn)生的原因可能是由于攪拌頭軸肩與材料表面的摩擦放出了大量的熱，促使了鐵和鋁的反應(yīng)。c.m.chen等25焊接了6

22、mm厚aa6061鋁合金和aisi1018鋼，在其接頭中也未發(fā)現(xiàn)洋蔥環(huán)狀形貌，代之以不連續(xù)的鋼條帶分布在鋁合金基體中。在焊接過程中，工件上的最高溫度超過了aa6061鋁合金的熔點(diǎn)，使得少量的aa6061鋁合金發(fā)生了熔化，兩種金屬強(qiáng)烈作用，產(chǎn)生了金屬間化合物al13fe4 和al5fe2 。這造成了焊核中不同位置的顯微硬度值相差很大，某些部位的顯微硬度大于鋼的硬度，同時(shí)也使得當(dāng)攪拌頭材料為工具鋼時(shí)，焊接時(shí)攪拌頭磨損很快。2.4攪拌摩擦焊搭接界面遷移現(xiàn)象的研究現(xiàn)狀柯黎明26在對(duì)攪拌摩擦焊接頭成形規(guī)律的研究中提出：當(dāng)使用攪拌針表面帶有螺紋的攪拌頭進(jìn)行焊接時(shí)，焊核外圍的高溫塑化金屬將視攪拌針表面螺紋的

23、旋向，沿板材上部或下部流動(dòng)，同時(shí)原始搭接界面也將朝焊縫上部或下部移動(dòng)而進(jìn)入板材內(nèi)部。他還指出，當(dāng)攪拌針表面為左螺紋時(shí)，原始界面伸入上板材，而攪拌針表面為右螺紋時(shí)，原始界面伸入下板材。同時(shí)他還認(rèn)為，采用左螺紋和右螺紋攪拌針焊接的相互平行且距離較近的復(fù)合焊縫可以消除原始界面伸入對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。a.elrefaey27在對(duì)純鋁和低碳鋼的攪拌摩擦搭接焊的研究中，通過改變焊接工藝參數(shù)進(jìn)行焊接，之后進(jìn)行剪切試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接頭的剪切強(qiáng)度隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加，隨著焊接速度的增加稍微降低。分析認(rèn)為其原因是焊縫橫截面上焊核中的界面形態(tài)不同造成的，當(dāng)兩板中的界面相互遷移深度越深，焊縫的剪切強(qiáng)度越高。chan

24、g-yong lee等28對(duì)5052和6061鋁合金的攪拌摩擦焊搭接接頭性能進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)：焊縫橫截面的遷移界面具有前進(jìn)、返回邊同時(shí)垂直向上遷移或同時(shí)垂直向下遷移兩種形態(tài)，且隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加和焊接速度的降低，接頭的斷裂載荷都有所降低。分析認(rèn)為旋轉(zhuǎn)速度的增加和焊接速度的降低使得單位時(shí)間內(nèi)焊縫中發(fā)生遷移的金屬量增加，遷移界面的遷移量越大，且形狀更尖銳，使得界面尖端應(yīng)力集中更嚴(yán)重，從而降低了接頭的斷裂載荷。2.5 攪拌摩擦焊的顯微組織和金屬流動(dòng)的研究現(xiàn)狀王希靖等29在對(duì)黃銅h62攪拌摩擦焊接頭的微觀組織及性能研究表明：用攪拌摩擦焊焊接板厚5 mm的黃銅h62 時(shí)，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為400900

25、 r/min、焊接速度為35100 mm/min，焊接速度與攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度 的比值保持在0.090.15之間，壓入深度在0.10.2 mm之間時(shí)，可得到組織致密、無孔洞的攪拌摩擦焊接頭；由于焊縫金屬經(jīng)歷了高溫?cái)嚢?、加壓作用，接頭組織經(jīng)歷了動(dòng)態(tài)回復(fù)與動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，焊接接頭可分為細(xì)小均勻的等軸晶組成的焊核區(qū)、變形拉長的熱力影響區(qū)、再結(jié)晶不充分的熱影響區(qū)。用攪拌摩擦焊進(jìn)行焊接，得到的黃銅接頭的力學(xué)性能比母材要低，其接頭平均抗拉強(qiáng)度可達(dá)到母材88%，最大可達(dá)到90.5%，而常規(guī)焊接方法得到的接頭只能達(dá)到原母材抗拉強(qiáng)度的40%60%?？吕杳?6提出了焊縫塑性金屬在焊縫厚度方向遷移的“抽吸-擠壓”理論假說，

26、其基本表述如下：在攪拌摩擦焊條件下，由于攪拌針表面螺紋僅具有有限長度，其一端為攪拌頭的軸肩，另一端為剛性的底板，焊接過程中攪拌針端部與底板間的距離保持不變。當(dāng)攪拌頭旋轉(zhuǎn)引起塑性金屬沿螺紋表面軸向流動(dòng)時(shí)，必存在一入口端和一出口端。在入口端，有可能形成一瞬時(shí)空腔，周圍塑性金屬將被吸向此空腔，形成所謂抽吸效應(yīng)；在出口端，塑性金屬將改變流向并擠壓周邊金屬，形成所謂擠壓效應(yīng)；正是由于空腔對(duì)塑性金屬朝焊縫中心的抽吸作用和擠壓區(qū)往外對(duì)塑性金屬的擠壓作用，使高溫塑性金屬在攪拌針軸向形成劇烈的遷移運(yùn)動(dòng)。圖2-2為帶左螺紋的攪拌針的攪拌頭順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)“抽吸擠壓”理論模型示意圖。攪拌針端部金屬脫離攪拌針朝周圍呈輻射

27、狀擠壓，將原來在攪拌針端部的金屬擠向更遠(yuǎn)的區(qū)域。圖2-2“抽吸擠壓”理論模型示意圖王曉東30在其對(duì)攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬在焊縫厚度方向的遷移行為的研究中，結(jié)合相關(guān)的試驗(yàn)對(duì)“抽吸擠壓”理論進(jìn)行了驗(yàn)證。研究還發(fā)現(xiàn)：增大攪拌頭軸肩下壓量和在一定范圍內(nèi)增大攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度的比值n/v，都能使單位時(shí)內(nèi)塑性金屬的遷移量增加，焊縫厚度方向的“抽吸擠壓”效應(yīng)增強(qiáng)。欒國紅31通過對(duì)攪拌摩擦焊的焊接行為和焊接接頭的金相圖的觀察和比較，主要是對(duì)異種鋁合金al6061和al6024分別進(jìn)行了攪拌摩擦焊開敞式試驗(yàn)、急停試驗(yàn)、搭接試驗(yàn)，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)攪拌摩擦焊的流變特性進(jìn)行了分析和討論后認(rèn)為：在縱向攪拌摩

28、擦焊時(shí)，攪拌頭的前方上部區(qū)域塑性金屬向下運(yùn)動(dòng)，前下部區(qū)域塑性金屬沿?cái)嚢桀^并由其返回邊向前進(jìn)側(cè)移動(dòng)；在攪拌頭后方區(qū)域觀察到雙層薄層間混結(jié)構(gòu)組織，在薄層結(jié)之間存在無序混合區(qū)等現(xiàn)象。張武等32通過采用鑲嵌紫銅箔作為標(biāo)示材料對(duì)ly12進(jìn)行了焊接試驗(yàn)，焊后觀察焊縫橫截面上塑性材料的遷移行為。研究結(jié)果表明:在焊縫橫截面上，探針附近的塑性材料沿帶左旋螺紋的探針表面從焊縫上表面螺旋遷移至焊縫底部，從四周向焊縫表面遷移，在厚度方向上形成一個(gè)連續(xù)遷移的循環(huán)路徑。塑性變形的區(qū)域關(guān)于焊縫中心不對(duì)稱，塑性材料在焊縫中心形成類似于傾斜“花瓶”狀的形貌。從焊縫表面至底面，塑性變形區(qū)寬度逐漸減小，前進(jìn)邊塑性材料向焊縫表面遷移

29、的距離小于返回邊，前進(jìn)邊塑性變形區(qū)小于返回邊。2.6攪拌摩擦焊接頭的力學(xué)性能研究現(xiàn)狀邢麗等33在防銹鋁lf6的固態(tài)塑性連接工藝的研究中認(rèn)為：用固態(tài)塑性連接方法焊接防銹鋁lf6(m)，其接頭強(qiáng)度可以達(dá)到母材的強(qiáng)度，其背彎和正彎角度可達(dá)到1800；焊接規(guī)范對(duì)接頭的力學(xué)性能有影響，不同厚度的板材，存在一個(gè)最佳力學(xué)性能規(guī)范區(qū)fsw單邊溝槽缺陷的形成和位置與焊接規(guī)范和攪拌頭的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)，它們是金屬塑性流動(dòng)的結(jié)果。王訓(xùn)宏等34對(duì)鋁鎂異種材料攪拌摩擦焊接頭特點(diǎn)與脆性本征的研究認(rèn)為：鋁合金與鎂合金的晶粒以河流狀匯合的方式充分地交織在一起，晶粒的分布具有明顯的梯度特征。當(dāng)這種混合的交織狀態(tài)過渡到熱機(jī)械影響區(qū)時(shí)

30、可以發(fā)現(xiàn)，隨著速度梯度的變化，混合的均勻程度明顯減弱，呈現(xiàn)層狀的結(jié)合狀態(tài)。從焊接接頭斷口的掃描電鏡形貌可以看出：?jiǎn)蝹?cè)啟裂的拉伸斷口沒有觀察到明顯的纖維區(qū)和剪切唇這一特征，而是在一側(cè)出現(xiàn)少量的韌窩帶和大量的變形帶特征，中部區(qū)域以解理為主，小部分為準(zhǔn)解理特征，表明焊接接頭金屬的脆性較大。 邢麗等3536在用攪拌摩擦焊接焊接低碳鋼與紫銅及鋁合金與鋼后分析其顯微組織后得出如下結(jié)論：（1）低碳鋼-紫銅接頭的顯微組織與其所受到的熱和力作用大小有關(guān)。在接頭鋼側(cè)，軸肩擠壓區(qū)有較大的變形，組織發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶后形成了細(xì)小的等軸晶鐵素體；在探針附近的熱影響區(qū)，經(jīng)歷的應(yīng)變較小，組織則由變形的先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體

31、組成。在接頭銅側(cè)熱影響區(qū)的晶粒受熱長大，而熱力影響區(qū)的銅由于發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，晶粒細(xì)小；在焊核區(qū)，上部主要由鋼、銅薄層交疊組成；焊核中下部為鋼、銅及鋼與銅形成的化合物交疊組成的漩渦狀條帶，其中銅條帶的組織為細(xì)小的等軸晶，鋼條帶的組織為細(xì)小的等軸晶或先共析鐵素體+側(cè)板條鐵素體組織。（2）當(dāng)焊接工藝參數(shù)合適時(shí)，可以獲得表面成形良好、無變形的鋁合金與鋼的對(duì)接接頭和搭接接頭。對(duì)于對(duì)接接頭，金相分析表明，在焊縫橫截面，低碳鋼與鋁合金呈較好的混合狀態(tài)，在平行焊縫表面的平面內(nèi)，兩種材料呈交疊分布。力學(xué)性能試驗(yàn)表明，焊核內(nèi)局部區(qū)域具有較高的顯微硬度，可能是形成了鋼與鋁的金屬間化合物，拉伸試樣斷裂在焊核區(qū)邊緣偏

32、低碳鋼一側(cè)。對(duì)于搭接接頭，接合面處的鋼呈形似“鉗子”或彎鉤狀的分布，鋼鉚進(jìn)了鋁合金焊縫中，兩種材料能有效地達(dá)到塑性結(jié)合，接頭的抗剪切性能較好綜上所述，銅/鋁由于物理性能及化學(xué)性能存在較大的差異，特別是熔點(diǎn)相差424，線膨脹系數(shù)相差40%以上，熱導(dǎo)率也相差70%以上，且鋁容易氧化形成致密的形成致密的al2o3，采用一般的熔焊焊接方法獲得良好的焊接效果比較困難。攪拌摩擦焊是一種新型的固相塑性連接技術(shù)，由于其焊接過程中被焊材料沒有熔化，故能避免熔焊時(shí)產(chǎn)生的一些缺點(diǎn)。目前攪拌摩擦焊方的研究已經(jīng)從最初鋁及異種鋁合金方面的研究方向較多的集中在對(duì)其他異種金屬間的攪拌摩擦，現(xiàn)在攪拌摩擦焊成功焊接鋁合金/鎂合金

33、、銅/銅合金、鋁合金/鈦合金、不銹鋼/低碳鋼及其他異種材料也相繼見諸報(bào)道。但在銅/鋁異種金屬的攪拌摩擦焊方面見諸旦報(bào)道的研究還是非常少，尤其是5-6mm厚的材料。同時(shí)攪拌摩擦焊也由最初的工藝研究轉(zhuǎn)向攪拌摩擦焊過程中攪拌頭周圍塑性材料的流動(dòng)行為。在攪拌摩擦焊中焊縫塑性材料的流動(dòng)直接關(guān)系到焊縫組織的形成，對(duì)焊縫性能具有重要的影響。理解焊縫金屬的塑性流動(dòng)機(jī)理，對(duì)揭示接頭組織形成的機(jī)理、攪拌頭設(shè)計(jì)形狀有著重要的意義。3.研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案3.1研究內(nèi)容銅/鋁兩者物理性能相差太大故熔化焊比較困難，目前國內(nèi)外對(duì)銅/鋁板的焊接也只做了3-4mm，本課題主要對(duì)6mm厚的銅/鋁板從以下幾個(gè)方面進(jìn)行工藝探索：（1

34、）對(duì)厚度為6mm的t2紫銅板與ld10鋁合金的攪拌摩擦焊搭接焊的工藝進(jìn)行可行性探索；（2）對(duì)不同焊接參數(shù)所得焊縫外觀進(jìn)行觀察并分析不同焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫表面成型的影響；（3）對(duì)接頭進(jìn)行取樣制作金相，并對(duì)金相的表面宏型貌及內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行顯微觀察，觀察界面線的遷移、金屬的流動(dòng)情況及其內(nèi)部組織的晶粒形態(tài)的變化，并分析晶粒形態(tài)變化與焊接工藝參數(shù)的相關(guān)性；（4）對(duì)接頭進(jìn)行顯微硬度的測(cè)試及拉伸試驗(yàn)，通度硬度曲線分析組織內(nèi)部的變化；通過接頭的拉伸實(shí)驗(yàn)，觀察接頭的斷裂位置及斷口型貌，分析其接頭的主受力位置，對(duì)比不同焊接工藝參數(shù)試樣的斷裂方式及斷裂峰值并分析其原因；（5）通過綜合對(duì)比不同焊接工藝參數(shù)所得接頭的

35、外觀形貌，內(nèi)部組織及力學(xué)性能，確定一最佳工藝參數(shù)。3.2 試驗(yàn)方案3.2.1試驗(yàn)材料試驗(yàn)所選材料是厚度均為6mm的t2紫銅與ld10鋁合金，t2是陰極重熔銅，含微量氧和雜質(zhì)，具有高的導(dǎo)電，導(dǎo)熱性，良好的耐腐蝕性和加工性能；t2紫銅的熔點(diǎn)為10651082.5，常溫下熱導(dǎo)率為390w·（m·k）-1、線膨脹系數(shù)為16.92/10-6k-1， ld10系al-mm-si-cu系鍛鋁，該材料的合金元素含量高，通常在人工時(shí)效狀態(tài)下使用，主要強(qiáng)化相mg2si、cual2等，強(qiáng)度高，并具有優(yōu)良的熱塑性；ld10鋁合金的熔點(diǎn)為680，常溫下熱導(dǎo)率為159w·（m·k）

36、-1、線膨脹系數(shù)為22.5/10-6 k-1，兩材料化學(xué)成份和力學(xué)性能見表3.1，焊接時(shí)采用搭接一道焊，焊前用丙酮清洗工件表面油污。besbasfenipbsnszn余量0.0010.0020.0020.0050.0020.0050.0020.0040.004cu 表2-2 ld10鋁合金的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）表2-1 t2紫銅的化學(xué)成份（質(zhì)量分?jǐn)?shù)%）cumgsimnfeznniti余量3.9-4.80.4-0.80.6-1.20.4-1.00.70.30 0.10.15al3.2.2實(shí)驗(yàn)方法 攪拌摩擦摩擦焊的主要焊接工藝參數(shù)有焊接速度、攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭對(duì)工件的壓力。對(duì)于異種材料的焊

37、還與材料的放置位置有關(guān)。試驗(yàn)中，攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊沿焊縫方向移動(dòng)，其兩側(cè)金屬與攪拌頭相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，受到攪拌頭擠壓后，溫度和變形量有差異。通常將焊接方向與攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向那致的側(cè)，稱為前進(jìn)邊，而將另一側(cè)稱為返回邊。為了研究攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度與焊接速度對(duì)焊縫成型的影響，試驗(yàn)參數(shù)采取控制變量法。銅鋁焊接接頭方式選為搭接接頭，實(shí)驗(yàn)過程如圖3-1所示。圖3-1 試驗(yàn)搭接示意圖銅鋁3.2.3顯微硬度測(cè)試采用401mvd數(shù)字顯微硬度計(jì)測(cè)量接頭垂直方向的顯微硬度分布。為了能全面的反映搭接接頭的顯微硬度分布，在接頭的前進(jìn)側(cè)，焊核中心區(qū)，返回側(cè)分別各選取一條線從鋁側(cè)向銅側(cè)進(jìn)行硬度測(cè)試。測(cè)量點(diǎn)間距為0.3mm，加載載荷為

38、200g，加載時(shí)間為15s。 3.2.4 拉剪性能測(cè)試圖3-2 試驗(yàn)拉伸標(biāo)準(zhǔn)個(gè)示意圖對(duì)銅/鋁搭接接頭試樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，按gb2651-89制作剪切試樣進(jìn)行剪切試驗(yàn)，在we-10a型液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)件如圖3-2。由于搭接接頭試樣兩端和焊縫中心的不等厚，在做剪切實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生彎曲，對(duì)實(shí)驗(yàn)效果會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，所以在試樣的兩端粘貼小板使其兩端與焊縫中心等厚。 4 目標(biāo)，主要特色及工作進(jìn)度4.1目標(biāo)通過調(diào)整焊接工藝參數(shù)，獲得銅/鋁焊縫成型良好的工藝參數(shù)。對(duì)焊接接頭的微觀組織進(jìn)行觀察及對(duì)接頭的力學(xué)性能測(cè)試，得出工藝參數(shù)對(duì)銅/鋁焊接接頭的微觀組織、接頭力學(xué)性能的影響規(guī)律。4.2主要特色

39、 本課題特色在于目前國內(nèi)外對(duì)銅/鋁攪拌摩擦焊研究尚少的情況下較早展開研究，已開展了的銅/鋁的攪拌摩擦焊研究大多是針對(duì)2-3mm厚的薄板銅/鋁板焊的對(duì)接，本課題則使用6mm厚的銅/鋁板進(jìn)行攪拌摩擦焊搭接。4.3工作進(jìn)度1. 檢索文獻(xiàn)，翻譯外文資料一篇，完成開題報(bào)告 2010.3.222010.4.92. 進(jìn)行工藝性試驗(yàn)，研究工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響 2010.4.112010.5.253. 研究工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭顯微組織的影響 2010.5.262010.6.44. 撰寫畢業(yè)論文 2010.6.7 2010.6.255. 答辨準(zhǔn)備及畢業(yè)答辨 2010.6.282010.7.2參考文獻(xiàn)1 里亞博夫

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