80zn20al焊丝铝合金黄铜焊接接头组织与性能(附件)
研究了80Zn-20Al钎料的显微组织、铺展性能、3003铝合金/黄铜异种接头力学性能。铺展实验结果表明温度分别为510℃、520℃、530℃时，钎料在铝合金母材上的平均铺展面积分别为192.20mm2、204.33mm2、225.08mm2，在黄铜母材上的平均铺展面积分别为54.42mm2、65.22mm2、70.87mm2，钎料在铝合金上的铺展面积大于在黄铜的铺展面积；钎料在同种母材上的铺展面积与温度有关，随着温度的升高铺展面积增大。3003铝合金/黄铜钎焊接头力学性能试验表明搭接接头的抗拉强度约为66.97MPa,焊接断裂处均存在于铝板母材处，断裂后黄铜母材上留下一层薄亮的金属间化合物；钎焊接头显微组织主要以粗大的树枝状的共析物的形式存在，周围黑色和白色相间分布的成分是铝基固溶体和锌基固溶体的混合物。当力作用于焊件时容易产生应力集中，产生裂纹。关键词 80Zn-20Al钎料，显微组织，铺展性能，接头力学性能
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2铝/铜焊接性能分析 1
1.3铝/铜常用的焊接方法 2
2 研究方法及实验过程 4
2.1研究的技术路线 4
2.2 80Zn20Al钎料合金的选择与制备 5
2.3钎料的显微组织分析 7
2.4钎料铺展性能测试 8
2.5钎焊接头力学性能实验 10
3 钎料的显微组织 12
4 80Zn20Al钎料的铺展性能 13
4.1钎料在3003铝合金表面的铺展性能 13
4.2 80Zn20Al钎料在黄铜试板表面的铺展性能 14
5 钎焊接头的力学性能 15
6 80Zn20Al钎料焊接铜/铝的搭接接头显微组织 18
结论 19
致谢 20
参考文献 21
大学期间取得的成果 23
1 绪论
1.1引言
3003铝合金不仅重量轻，强度和韧性高，而且具有高耐疲劳性，耐腐蚀性，良好的加工性和可焊性。因此广泛应用于加工制造业，是市场上重要的金属结构材料。随着科学技术的发展，对机械零部件的性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
能也提出了一系列标准。单一的金属材料已不能满足工艺要求，需要多种金属之间相互配合使用才能达到最佳效果，因此，异种金属之间的焊接逐渐成为热点领域，汽车，生活用品，能源等多个现代制造业领域[23]，但由于铜铝异种金属的热膨胀系数，熔点等物理特性等方面存在一定的差异，而且在高温作用下易生成金属氧化物，连接不同金属对焊接方法有很高的要求[4]。铜和铝之间的连接目前几乎覆盖了所有的焊接方法，大致分为三类：熔焊、压焊和钎焊。其中钎焊具有成本低，可操作性强，焊接效果优良等优点，所以研究钎焊对于异种金属连接的组织与性能的影响很有意义。
1.2铝/铜焊接性能分析
铝/铜焊接性分析：铝的熔点为660℃，纯铜的熔点为1083.4（±0.2）℃。由于铝的熔点低于铜的熔点，因此铝首先熔融。熔池中的铝液在铜液的上方，所以熔池冷却后可能会造成焊缝成分不均匀的现象；当施加外力时，铜的导热率约为铝的导热率的三倍，线膨胀系数小于铝的线膨胀系数，并且可能在焊接后引起焊接接头处存在残余应力，最终导致焊接处产生裂纹;铝与铜之间也存在较高的化学亲和力，当温度大于120℃时，铜铝之间会产生脆性的金属间化合物，可能会导致接头产生裂纹并影响铜铝接头的微观组织结构和性能。当使用铝和铜作为母材时，容易形成致密的氧化膜。铜的成分含量也会对焊接性能产生一定的影响，不同成分类型的铜的物理化学性能稍有差别，本实验选用黄铜作为研究材料。
表1.1铝与铜的主要物理性能参数
材料
熔点（℃）
密度（Kg/m3）
热导率（J/m3℃s）
线膨胀系数（/℃）
铝
660
2.7x103
220
23x106
铜
1083.4
8.9x103
73
1.7x105
1.3铝/铜常用的焊接方法
1.3.1熔焊
熔焊是指将焊接件紧密的靠在一起，利用高温使母材接触处融化，在无其他外力作用的情况下，依靠重力场、温度场等的作用，使熔化了的母材之间溶液相互混合，最终经过冷却凝固使两个或多个焊件被紧密连接在一起的焊接方法。在铝/铜异种金属的焊接中，铜的密度为8.9g/cm3。铝的密度为2.7克g/cm3，铜的密度几乎是铝的三倍。焊接发生后直到冷却结束，焊件接触处可能会出现焊缝，从而导致焊接接头力学性能下降。熔焊的特点是焊接时焊接处母材大量熔化，铜/铝熔焊时大量铜母材和铝母材熔化，在冷却过程中，在焊缝处会产生更多粗大块状的金属间化合物，例如CuAl2。当力作用于焊件时，接头容易产生应力集中，引发裂纹，导致接头断裂。金属间化合物的形成很大程度的影响了接头的抗拉强度，本实验铜铝搭接接头的抗拉力最佳的状态仅为300N，强度并不高，溶焊包括以下几类。
（1）电弧焊：焊条电弧焊是指用焊钳夹持焊条进行焊接的一种焊接方法，也称手弧焊。焊条电弧焊操作灵活、简便、适应性广，只要有电源的地方就能进行焊接，是目前生产中应用最多、最普遍的一种溶焊方法。
（2）电子束焊：电子束焊是一种利用加速和聚焦电子束产生热能来轰击放置在真空或非真空中的焊件从而使其连接在一起的焊接方法[5]。电子束焊接具有高能量密度和大熔化深度，并且96％的动能被转换成焊接所需的热能。束电流非常小，焊接变形小;焊缝深度比高，利于不开坡口的单道焊缝；电子束焊接的缺点是设备更复杂，使用和维护成本更高，并且对焊件的要求更高。电子束焊接通常用于焊接难熔金属，某些非金属，如Ti，Zr，Ta，W，氧化钇耐火材料和硼耐热玻璃。
（3）激光焊：激光焊接是一种高效且精确的焊接方法，使用聚焦激光束作为能量来轰击焊件产生的热量。其有两种基本模式：热导焊和深溶焊[14]。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。薛志清和胡胜奇[20]对铜铝异种金属焊接接头的组织和性能研究得出了一系列结论。研究表明：在不同温度梯度下生产的焊接接头的显微组织不尽相同。快速熔化和凝固导致溶液中高温梯度和浓度梯度，导致接头的显微组织特征有所差别。在高温梯度下，平行形成板状过共晶组织和共晶组织混合区域。另外得出焊接速度与混合区的宽度成反比，剪切断裂的位置也出现在混合区。通过控制焊接速度来控制试件的最大剪切力。
1.3.2压焊
压焊是指通过加压完成焊接的焊接工艺。在压焊的过程中，由于母材基本不熔化，因此不会形成粗大的金属间化合物，并且避免了铜/铝熔合缺陷的产生。所得到的细颗粒金属化合物分散在焊接区中，并且可以在应力作用下在接合处起到位错钉扎力的作用，极大地改善了焊接接头的力学性能，如强度，硬度，韧性和形状。压焊分为冷压焊和热压焊。热压焊是温度在100℃~300℃之间进行压制的焊接方法。压焊在加压变形的过程中，母材接触面致密的氧化膜被破坏，从而使未氧化的的金属接触焊合在一起。在正常情况下，压焊不需要焊件接触表面的高度粗糙度。压焊包括以下几类。
目录
1 绪论 1
1.1引言 1
1.2铝/铜焊接性能分析 1
1.3铝/铜常用的焊接方法 2
2 研究方法及实验过程 4
2.1研究的技术路线 4
2.2 80Zn20Al钎料合金的选择与制备 5
2.3钎料的显微组织分析 7
2.4钎料铺展性能测试 8
2.5钎焊接头力学性能实验 10
3 钎料的显微组织 12
4 80Zn20Al钎料的铺展性能 13
4.1钎料在3003铝合金表面的铺展性能 13
4.2 80Zn20Al钎料在黄铜试板表面的铺展性能 14
5 钎焊接头的力学性能 15
6 80Zn20Al钎料焊接铜/铝的搭接接头显微组织 18
结论 19
致谢 20
参考文献 21
大学期间取得的成果 23
1 绪论
1.1引言
3003铝合金不仅重量轻，强度和韧性高，而且具有高耐疲劳性，耐腐蚀性，良好的加工性和可焊性。因此广泛应用于加工制造业，是市场上重要的金属结构材料。随着科学技术的发展，对机械零部件的性 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
能也提出了一系列标准。单一的金属材料已不能满足工艺要求，需要多种金属之间相互配合使用才能达到最佳效果，因此，异种金属之间的焊接逐渐成为热点领域，汽车，生活用品，能源等多个现代制造业领域[23]，但由于铜铝异种金属的热膨胀系数，熔点等物理特性等方面存在一定的差异，而且在高温作用下易生成金属氧化物，连接不同金属对焊接方法有很高的要求[4]。铜和铝之间的连接目前几乎覆盖了所有的焊接方法，大致分为三类：熔焊、压焊和钎焊。其中钎焊具有成本低，可操作性强，焊接效果优良等优点，所以研究钎焊对于异种金属连接的组织与性能的影响很有意义。
1.2铝/铜焊接性能分析
铝/铜焊接性分析：铝的熔点为660℃，纯铜的熔点为1083.4（±0.2）℃。由于铝的熔点低于铜的熔点，因此铝首先熔融。熔池中的铝液在铜液的上方，所以熔池冷却后可能会造成焊缝成分不均匀的现象；当施加外力时，铜的导热率约为铝的导热率的三倍，线膨胀系数小于铝的线膨胀系数，并且可能在焊接后引起焊接接头处存在残余应力，最终导致焊接处产生裂纹;铝与铜之间也存在较高的化学亲和力，当温度大于120℃时，铜铝之间会产生脆性的金属间化合物，可能会导致接头产生裂纹并影响铜铝接头的微观组织结构和性能。当使用铝和铜作为母材时，容易形成致密的氧化膜。铜的成分含量也会对焊接性能产生一定的影响，不同成分类型的铜的物理化学性能稍有差别，本实验选用黄铜作为研究材料。
表1.1铝与铜的主要物理性能参数
材料
熔点（℃）
密度（Kg/m3）
热导率（J/m3℃s）
线膨胀系数（/℃）
铝
660
2.7x103
220
23x106
铜
1083.4
8.9x103
73
1.7x105
1.3铝/铜常用的焊接方法
1.3.1熔焊
熔焊是指将焊接件紧密的靠在一起，利用高温使母材接触处融化，在无其他外力作用的情况下，依靠重力场、温度场等的作用，使熔化了的母材之间溶液相互混合，最终经过冷却凝固使两个或多个焊件被紧密连接在一起的焊接方法。在铝/铜异种金属的焊接中，铜的密度为8.9g/cm3。铝的密度为2.7克g/cm3，铜的密度几乎是铝的三倍。焊接发生后直到冷却结束，焊件接触处可能会出现焊缝，从而导致焊接接头力学性能下降。熔焊的特点是焊接时焊接处母材大量熔化，铜/铝熔焊时大量铜母材和铝母材熔化，在冷却过程中，在焊缝处会产生更多粗大块状的金属间化合物，例如CuAl2。当力作用于焊件时，接头容易产生应力集中，引发裂纹，导致接头断裂。金属间化合物的形成很大程度的影响了接头的抗拉强度，本实验铜铝搭接接头的抗拉力最佳的状态仅为300N，强度并不高，溶焊包括以下几类。
（1）电弧焊：焊条电弧焊是指用焊钳夹持焊条进行焊接的一种焊接方法，也称手弧焊。焊条电弧焊操作灵活、简便、适应性广，只要有电源的地方就能进行焊接，是目前生产中应用最多、最普遍的一种溶焊方法。
（2）电子束焊：电子束焊是一种利用加速和聚焦电子束产生热能来轰击放置在真空或非真空中的焊件从而使其连接在一起的焊接方法[5]。电子束焊接具有高能量密度和大熔化深度，并且96％的动能被转换成焊接所需的热能。束电流非常小，焊接变形小;焊缝深度比高，利于不开坡口的单道焊缝；电子束焊接的缺点是设备更复杂，使用和维护成本更高，并且对焊件的要求更高。电子束焊接通常用于焊接难熔金属，某些非金属，如Ti，Zr，Ta，W，氧化钇耐火材料和硼耐热玻璃。
（3）激光焊：激光焊接是一种高效且精确的焊接方法，使用聚焦激光束作为能量来轰击焊件产生的热量。其有两种基本模式：热导焊和深溶焊[14]。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。薛志清和胡胜奇[20]对铜铝异种金属焊接接头的组织和性能研究得出了一系列结论。研究表明：在不同温度梯度下生产的焊接接头的显微组织不尽相同。快速熔化和凝固导致溶液中高温梯度和浓度梯度，导致接头的显微组织特征有所差别。在高温梯度下，平行形成板状过共晶组织和共晶组织混合区域。另外得出焊接速度与混合区的宽度成反比，剪切断裂的位置也出现在混合区。通过控制焊接速度来控制试件的最大剪切力。
1.3.2压焊
压焊是指通过加压完成焊接的焊接工艺。在压焊的过程中，由于母材基本不熔化，因此不会形成粗大的金属间化合物，并且避免了铜/铝熔合缺陷的产生。所得到的细颗粒金属化合物分散在焊接区中，并且可以在应力作用下在接合处起到位错钉扎力的作用，极大地改善了焊接接头的力学性能，如强度，硬度，韧性和形状。压焊分为冷压焊和热压焊。热压焊是温度在100℃~300℃之间进行压制的焊接方法。压焊在加压变形的过程中，母材接触面致密的氧化膜被破坏，从而使未氧化的的金属接触焊合在一起。在正常情况下，压焊不需要焊件接触表面的高度粗糙度。压焊包括以下几类。
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