铝铜搅拌摩擦焊搭接工艺及接头微观特征研究(附件)【字数：15569】
铜铝是优良的导电材料，广泛地应用于电力电子工业。与铜相比，铝具有质量轻、价格低的优点，在某些场合利用铝代替铜的使用，不仅可以降低成本，而且可以降低工程结构的重量。然而铝铜密度、熔点、热导率等物理性能相差大，传统熔焊方法难于实现较好的连接。作为新型固相连接技术的搅拌摩擦焊已被广泛应用于异种金属的连接。本文对6mm的1060铝和2mm的T2铜进行搅拌摩擦焊搭接试验，形成铝-铜以及铜-铝-铜搭接接头。调整工艺参数以改变热输入，分析工艺参数对焊缝表面成形、过渡层微观组织的影响，分析铝铜异种金属搅拌摩擦焊微观组织以及剪切断口的特点，为工艺优化提供理论依据。研究结果表明铝铜异种金属搅拌摩擦焊可以获得优良的搭接接头，当旋转速度n=1100rpm、焊接速度v=60mm/min时，焊缝表面成形较好。轴肩部位铜铝界面处形成一定范围的过渡层，组织形态随热输入改变而发生变化。焊核区内显微硬度可达500HV，接头剪切强度随工艺参数变化不大。在三层搭接接头，上层铝铜接头对下层铝铜接头的组织结构、显微硬度、剪切强度产生一定的影响。关键词 搅拌摩擦焊；铝铜异种金属；搭接；微观特征
目录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 异种金属的焊接 2
1.2.1 异种材料的焊接性 2
1.2.2 铝铜异种材料的焊接性 3
1.2.3 异种金属的搅拌摩擦焊 4
1.3 本课题国内、外研究现状与发展趋势 6
1.3.1 铝铜异种材料的搅拌摩擦焊国外研究现状 6
1.3.2 铝铜异种材料的搅拌摩擦焊国内研究现状 7
1.4 研究意义及内容 8
1.4.1 研究意义 8
1.4.2 研究内容 9
第二章 试验材料、设备及方法 10
2.1 试验材料 10
2.2 搅拌摩擦焊的工艺试验 10
2.2.1 铝铜异种金属搭接接头搅拌摩擦焊 10
2.2.2 试样制备 12
2.3 搭接接头分析 12
2.3.1 焊缝宏观形貌观察 12
2.3.2 显微组织观察 12
2.3.3 焊缝硬度测试 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 2.3.4 焊缝抗剪切力学性能分析 13
第三章 焊缝微观组织及力学性能 14
3.1 引言 14
3.2 铝铜搭接接头宏观及微观特征和性能 14
3.2.1 不同工艺参数下焊缝表面成形 14
3.2.2 铝铜搭接接头宏观形貌 16
3.2.3 铝铜搭接接头微观组织 18
3.2.4 铝铜搭接接头显微硬度分布 22
3.2.5 铝铜搭接接头剪切强度 24
3.3 铜铝铜接头宏观及微观特征和性能 26
3.3.1 焊缝截面宏观形貌 26
3.3.2 接头微观组织 27
3.3.3 铜铝铜接头显微硬度分布 28
3.3.4 铜铝铜接头剪切强度 29
3.4 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 选题背景
铝及铝合金因其具有较好的导热性、导电性、耐蚀性和高的比强度，被广泛地应用到工业领域，仅次于钢铁的使用[1]。近年来随着中国经济飞速发展，中国的汽车制造业、造船业、容器制造业、国防以及航空航天等领域得到迅猛的发展，铝合金因其轻质、高强的特点已被广泛应用于航空航天、船舶、高速列车、汽车、交通运输等重要领域[2]。1060铝作为具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性的工业纯铝，常常被用来制造硝酸铵造粒塔的塔体面板。目前铝及其合金的焊接方法主要是钨极惰性气体保护焊，不仅在焊接过程中产生气孔、裂纹等焊接缺陷，使接头力学性能降低，而且焊接效率较低，焊接成本较高，限制了该材料在煤、化工等领域的应用[3]。
铜是人类最早认识和使用的金属材料之一，如中国夏商春秋时期多用青铜器。铜具有电阻率低、热导率高、耐严寒、耐腐蚀和优良的加工性能，更可贵的是，铜还具有良好的合金化能力，几乎可以与所有元素形成各具特色的合金系列，满足现代工程对材料强度、低温韧性、弹性、耐蚀性、耐磨性、抗软化性、切削加工性等特殊性能的要求，铜还具有其他金属所不具备的再生性能和抗菌性能，它不仅作为结构材料使用，还作为功能材料被使用。目前实际广泛应用的铜及铜合金品种有256种，形成以管、棒、型、线、板、带、箔、条为代表的八大类、上万种规格的加工产品。铜及铜合金优良的特性使它广泛地被用于建筑装饰业、电力电子业、能源化工业、轻工业、交通运输业、海洋工程等国民经济各个领域，是国民经济、人民生活、科技发展不可缺少的重要原材料，同时也是国际贸易中的重要产品[4]。T2铜外观为紫色，具有极好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性，良好的加工成形性、表面处理性能，对大气、海水和某些化学品具有一定抗腐蚀性。T2 纯铜在电子、交通、船舶、国防等工业领域广泛地被用于制造各种导电、导热、冷却器件。T2 纯铜的焊接方法主要有气焊、钎焊、手工电弧焊、TIG 焊（钨极惰性气体保护焊）、MIG 焊（非熔化极活性气体保护焊）。近年来，随着搅拌摩擦焊技术的发展和广泛应用， 有较多搅拌摩擦焊的应用研究报道取得了较好的效果。采用熔焊时，T2纯铜容易产生未熔合、未焊透、氢气孔等缺陷。复杂薄壁管板纯铜结构件在焊接过程中容易产生焊接变形，薄壁铜管易产生塌陷、烧穿、堵塞等工艺缺陷[5]。
无论是在机械制造工程业，还是在电器设备制造业，既要追求设备的安全可靠性，也要尽可能的降低生产成本。铜虽然具有优良的导电、导热、耐腐性，但由于其属于稀缺资源，价格较高，阻碍了电气工程的发展。铝具有密度低、电阻率小、热导率高等特点，铝和铜均为制造导电体的材料，在某些结构件中铝铜形成连接件，利用铝代替铜的使用，既可达到结构的使用要求，又可减少结构质量，降低结构制造成本以及发挥各自的优点，所以铝铜异种金属的复合接头应用前景广阔[6]。
然而由于连接技术的局限性，将影响铝铜异种金属构件的应用与发展。采用传统熔焊方法焊接铝铜及其合金，容易产生熔焊中常见的冶金缺陷和工艺缺陷，严重损伤构件的整体性能，使接头强度、耐疲劳性能和断裂韧性降低，存在安全隐患，在一定程度上限制了铝铜及合金的工程应用[78]。搅拌摩擦(FSW)是英国焊接研究所(TWI)在1991年发明的新型固相连接技术，该技术衍生于传统摩擦焊，已广泛应用于铝合金和镁合金等轻质合金的焊接[9]。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊不仅具有无烟尘、无气孔、无飞溅、无需添加焊丝和焊接时不需要输送保护气的特点，而且具有焊后焊缝晶粒细小，焊接残余应力和焊接参与变形较小等优点。国内对搅拌摩擦焊技术进行大量研究，已经实现多种异种材料的焊接，获得的各种形式接头性能优良[10]。
目录
第一章 绪论 1
1.1 选题背景 1
1.2 异种金属的焊接 2
1.2.1 异种材料的焊接性 2
1.2.2 铝铜异种材料的焊接性 3
1.2.3 异种金属的搅拌摩擦焊 4
1.3 本课题国内、外研究现状与发展趋势 6
1.3.1 铝铜异种材料的搅拌摩擦焊国外研究现状 6
1.3.2 铝铜异种材料的搅拌摩擦焊国内研究现状 7
1.4 研究意义及内容 8
1.4.1 研究意义 8
1.4.2 研究内容 9
第二章 试验材料、设备及方法 10
2.1 试验材料 10
2.2 搅拌摩擦焊的工艺试验 10
2.2.1 铝铜异种金属搭接接头搅拌摩擦焊 10
2.2.2 试样制备 12
2.3 搭接接头分析 12
2.3.1 焊缝宏观形貌观察 12
2.3.2 显微组织观察 12
2.3.3 焊缝硬度测试 13
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
/> 2.3.4 焊缝抗剪切力学性能分析 13
第三章 焊缝微观组织及力学性能 14
3.1 引言 14
3.2 铝铜搭接接头宏观及微观特征和性能 14
3.2.1 不同工艺参数下焊缝表面成形 14
3.2.2 铝铜搭接接头宏观形貌 16
3.2.3 铝铜搭接接头微观组织 18
3.2.4 铝铜搭接接头显微硬度分布 22
3.2.5 铝铜搭接接头剪切强度 24
3.3 铜铝铜接头宏观及微观特征和性能 26
3.3.1 焊缝截面宏观形貌 26
3.3.2 接头微观组织 27
3.3.3 铜铝铜接头显微硬度分布 28
3.3.4 铜铝铜接头剪切强度 29
3.4 本章小结 30
结论 31
致谢 32
参考文献 33
第一章 绪论
1.1 选题背景
铝及铝合金因其具有较好的导热性、导电性、耐蚀性和高的比强度，被广泛地应用到工业领域，仅次于钢铁的使用[1]。近年来随着中国经济飞速发展，中国的汽车制造业、造船业、容器制造业、国防以及航空航天等领域得到迅猛的发展，铝合金因其轻质、高强的特点已被广泛应用于航空航天、船舶、高速列车、汽车、交通运输等重要领域[2]。1060铝作为具有高的可塑性、耐蚀性、导电性和导热性的工业纯铝，常常被用来制造硝酸铵造粒塔的塔体面板。目前铝及其合金的焊接方法主要是钨极惰性气体保护焊，不仅在焊接过程中产生气孔、裂纹等焊接缺陷，使接头力学性能降低，而且焊接效率较低，焊接成本较高，限制了该材料在煤、化工等领域的应用[3]。
铜是人类最早认识和使用的金属材料之一，如中国夏商春秋时期多用青铜器。铜具有电阻率低、热导率高、耐严寒、耐腐蚀和优良的加工性能，更可贵的是，铜还具有良好的合金化能力，几乎可以与所有元素形成各具特色的合金系列，满足现代工程对材料强度、低温韧性、弹性、耐蚀性、耐磨性、抗软化性、切削加工性等特殊性能的要求，铜还具有其他金属所不具备的再生性能和抗菌性能，它不仅作为结构材料使用，还作为功能材料被使用。目前实际广泛应用的铜及铜合金品种有256种，形成以管、棒、型、线、板、带、箔、条为代表的八大类、上万种规格的加工产品。铜及铜合金优良的特性使它广泛地被用于建筑装饰业、电力电子业、能源化工业、轻工业、交通运输业、海洋工程等国民经济各个领域，是国民经济、人民生活、科技发展不可缺少的重要原材料，同时也是国际贸易中的重要产品[4]。T2铜外观为紫色，具有极好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性，良好的加工成形性、表面处理性能，对大气、海水和某些化学品具有一定抗腐蚀性。T2 纯铜在电子、交通、船舶、国防等工业领域广泛地被用于制造各种导电、导热、冷却器件。T2 纯铜的焊接方法主要有气焊、钎焊、手工电弧焊、TIG 焊（钨极惰性气体保护焊）、MIG 焊（非熔化极活性气体保护焊）。近年来，随着搅拌摩擦焊技术的发展和广泛应用， 有较多搅拌摩擦焊的应用研究报道取得了较好的效果。采用熔焊时，T2纯铜容易产生未熔合、未焊透、氢气孔等缺陷。复杂薄壁管板纯铜结构件在焊接过程中容易产生焊接变形，薄壁铜管易产生塌陷、烧穿、堵塞等工艺缺陷[5]。
无论是在机械制造工程业，还是在电器设备制造业，既要追求设备的安全可靠性，也要尽可能的降低生产成本。铜虽然具有优良的导电、导热、耐腐性，但由于其属于稀缺资源，价格较高，阻碍了电气工程的发展。铝具有密度低、电阻率小、热导率高等特点，铝和铜均为制造导电体的材料，在某些结构件中铝铜形成连接件，利用铝代替铜的使用，既可达到结构的使用要求，又可减少结构质量，降低结构制造成本以及发挥各自的优点，所以铝铜异种金属的复合接头应用前景广阔[6]。
然而由于连接技术的局限性，将影响铝铜异种金属构件的应用与发展。采用传统熔焊方法焊接铝铜及其合金，容易产生熔焊中常见的冶金缺陷和工艺缺陷，严重损伤构件的整体性能，使接头强度、耐疲劳性能和断裂韧性降低，存在安全隐患，在一定程度上限制了铝铜及合金的工程应用[78]。搅拌摩擦(FSW)是英国焊接研究所(TWI)在1991年发明的新型固相连接技术，该技术衍生于传统摩擦焊，已广泛应用于铝合金和镁合金等轻质合金的焊接[9]。与传统熔焊方法相比，搅拌摩擦焊不仅具有无烟尘、无气孔、无飞溅、无需添加焊丝和焊接时不需要输送保护气的特点，而且具有焊后焊缝晶粒细小，焊接残余应力和焊接参与变形较小等优点。国内对搅拌摩擦焊技术进行大量研究，已经实现多种异种材料的焊接，获得的各种形式接头性能优良[10]。
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