铝铜搅拌摩擦焊搭接接头的金属迁移行为研究(附件)【字数：16163】
Study on Metal Migration Behavior of Aluminum / Copper Friction Stir Welding Lap Joint Friction 摘 要Study on Metal Migration Behavior of Aluminum / Copper Friction Stir Welding Lap Joint Friction 摘 要1060铝合金和T2紫铜以其良好的物理力学性能而被广泛应用于工业领域，铝-铜异种金属的连接也是国内外研究的热点之一。搅拌摩擦焊作为一种金属固相连接方法，常用于连接铝、镁、铜等有色金属。铝铜异种金属搅拌摩擦搭接焊工艺目前尚处于实验研究阶段，对铝铜异种金属搭接接头中金属迁移行为的研究报道还不多。研究并创新铝铜搅拌摩擦焊搭接工艺，对于1060铝合金和T2紫铜应用的推广具有基础意义，研究接头金属流动行为对提高接头性能具有指导意义。本文采用搅拌摩擦焊工艺对厚度6mm的1060铝合金板材和2mm的T2紫铜板材进行搭接试验，通过改变焊接工艺参数，对比实验结果确定最优工艺参数。并在最优焊接工艺参数下对铝和铜进行搅拌摩擦焊搭接试验，研究铝铜搭接接头金属迁移行为以及搅拌针长度对接头金属迁移行为的影响规律。对搭接接头试样的横截面、纵截面、轴肩摩擦平面和铝铜界面平面进行金属流动行为分析发现，在焊缝厚度方向塑性金属迁移分为三个区域轴肩扰动区金属做水平圆周运动，紊流区金属发生垂直方向的对流运动，搅拌区金属发生椭圆形环流。在轴肩摩擦平面，塑性金属一方面在前进侧沿径向迁移，一方面受轴肩推动向焊接方向迁移。在铝铜界面平面，大量的铝铜相互迁移形成混合组织，混合组织发生短距离的径向迁移。二次焊接使焊缝截面紊流区混合组织减少，使铝铜界面平面金属径向迁移距离变小，迁移至母材中的颗粒状铜增多。在焊缝截面，搅拌针越长上层金属向下迁移距离越小。在焊缝轴肩摩擦平面，搅拌针越长，金属沿径向迁移的距离越大，在铝铜界面平面，搅拌针越长，金属流动性越差，沿径向迁移的距离更小且更不均匀。关键词搅拌摩擦焊；铝铜搭接；搅拌针长度；塑性迁移
目录
第1章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2 搅拌摩擦焊技术 2
1.2.1 搅拌摩擦焊简介 2
1.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2 搅拌摩擦焊的优点 3
1.2.3 搅拌摩擦焊的缺点 4
1.3 异种金属材料的连接 4
1.3.1 异种材料的焊接性 4
1.3.2 Cu/Al异种金属的焊接性 5
1.4 CuAl异种金属金属搅拌摩擦焊研究现状 6
1.5 搅拌摩擦焊接头的流场 7
1.6 FSW流场的国内外研究现状 7
1.6.1国外研究现状 7
1.6.2国内研究现状 8
1.7本课题研究内容 8
第2章 试验材料、设备及方法 10
2.1 实验材料 10
2.2 搅拌摩擦焊的工艺试验 10
2.2.1试验设备 10
2.2.2试验过程 12
2.2.3 试样制备 12
2.3铝铜搭接接头金属迁移行为分析 13
第3章 铜铝搭接接头金属迁移行为分析 14
3.1 引言 14
3.2 焊缝截面的金属流动行为 14
3.2.1 焊缝横截面的金属流动 14
3.2.2 焊缝纵截面的金属流动 16
3.3 焊缝平面的金属流动行为 17
3.3.1 轴肩摩擦平面的金属流动 17
3.3.2 铝铜界面所在平面的金属流动 19
3.4本章小结 20
第4章 搅拌针长度对金属流动行为的影响 22
4.1 引言 22
4.2搅拌针长度对金属垂直方向迁移行为的影响 22
4.3 搅拌针长度对金属水平方向迁移行为的影响 23
4.4本章小结 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
铜根据其颜色和化学性能可分为黄铜、青铜、紫铜和白铜四大类。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，因此广泛的应用于电器、机械、建筑、冶金、化工等工业部门[1]。但是铜作为稀缺金属,加上铜价近几年上涨过快让对铜需求量大的工业部门不堪重负。与铜的匮乏相反，我国铝土资源十分的丰富，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[2]。为了节约铜资源和减轻构件的重量，在某些场合可以用铝合金取代铜作为构件。但室温下金属铝的电阻率与铜相差较大，在特定的场合无法实现完全的以铝代铜。为了使构件兼顾铜和铝的优异性能，，在许多构件中常采用铜/铝复合结构，不仅减少了贵金属铜的消耗，减轻了构件的重量，节约了成本，而且还能保证构件具有相应的强度。
虽然铜铝复合结构件已经广泛的应用于电气、制冷、化工容器和航空航天工业，但是异种金属连接问题始终不能完善的解决。例如在电气行业中铜铝一般采用铆接的方法连接，这种直接的机械连接接合性能不高，并且由于铜铝之间存在一定的电位差，在潮湿的大气中接触端易发生严重的电化学腐蚀，轻则造成千瓦的电力损失，重则导致严重的危险事故。焊接作为一种永久性的连接技术，获得的产品其寿命、质量、生产成本和可靠性都要优于直接的机械连接。由于异种金属无论是组织成分还是物理化学性能都有很大的差异，所以其焊接要比同种金属焊接复杂很多。特别是铜铝线膨胀系数相差40%，熔点相差超过400℃，由于这种差异的存在，在焊接过程中经常会形成硬而脆的铜铝间化合物，且焊后残余热应力较大，使用一般的焊接方法（特别是熔化焊）很难获得优质的铜铝接头。
搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型的固相连接技术，焊接温度低于金属熔点，焊接过程中不发生金属的熔化，具有绿色、高效、安全、焊接变形量小甚至无变形的特点，已经广泛地应用于有色金属的焊接。而搅拌摩擦焊焊缝成形与焊缝金属材料的迁移行为有直接的关系，因此研究FSW接头的流场对认清FSW的焊接机理和优化焊接工艺十分的重要。
1.2 搅拌摩擦焊技术
1.2.1 搅拌摩擦焊简介
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是英国焊接研究所（简称TWI）于1991发明的一种固相连接技术，并在同年申请了专利[3]。具有焊接变形小，无裂纹、夹渣、气孔等熔焊方法中常见的缺陷等优势，并能完成一般熔焊方法都无法完成的材料的连接，一经出世便得到高度的重视。FSW过程的原理如图11所示。先把待焊试样放在垫板上然后用夹具压紧，防止在焊接过程中出现松动或者滑移。焊接工具主要由轴肩、搅拌针和夹持部分组成。搅拌针一般不宜过长或者过短，通常设计为轴肩直径长度的三分之一，略比试样板材厚度稍短。为了降低焊接过程中搅拌头所受到的阻力，最大程度减少搅拌针的磨损，通常使搅拌头与板材具有2°～5°的夹角。焊接时搅拌针缓缓插入板材中，直到轴肩接触到板材表面。由于搅拌头与板材摩擦产生热量，在其附近会产生螺旋状的塑性层。焊接过程中一般都是板材不动，搅拌头相对于板材以一定的速度做相对运动。生成的塑性层材料会由搅拌针的前方移向后方，随着搅拌头继续向前运动，其尾部材料开始冷却并形成焊缝，所以会导致搅拌摩擦焊接头的厚度只有木材的94%～97%。轴肩的作用分为两个方面，一方面是与焊件表面摩擦产生热量，另一个重要的方面就是防止塑性状态的材料溢出，并且还可以去除焊件表面的氧化膜。
/
图11 搅拌摩擦焊过程的示意图
FSW过程中包括一些专业术语，如前进侧、后退侧等。前进侧（Advancing Side，简称AS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向一致的一边；后退侧（Retreating Side，简称RS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向相反的一边。前进侧和后退侧关于焊缝中心对称，焊接时两块板材分别放置于这两侧。如图11是搅拌摩擦焊的过程示意图。
目录
第1章 绪论 1
1.1研究背景和意义 1
1.2 搅拌摩擦焊技术 2
1.2.1 搅拌摩擦焊简介 2
1.2. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
2 搅拌摩擦焊的优点 3
1.2.3 搅拌摩擦焊的缺点 4
1.3 异种金属材料的连接 4
1.3.1 异种材料的焊接性 4
1.3.2 Cu/Al异种金属的焊接性 5
1.4 CuAl异种金属金属搅拌摩擦焊研究现状 6
1.5 搅拌摩擦焊接头的流场 7
1.6 FSW流场的国内外研究现状 7
1.6.1国外研究现状 7
1.6.2国内研究现状 8
1.7本课题研究内容 8
第2章 试验材料、设备及方法 10
2.1 实验材料 10
2.2 搅拌摩擦焊的工艺试验 10
2.2.1试验设备 10
2.2.2试验过程 12
2.2.3 试样制备 12
2.3铝铜搭接接头金属迁移行为分析 13
第3章 铜铝搭接接头金属迁移行为分析 14
3.1 引言 14
3.2 焊缝截面的金属流动行为 14
3.2.1 焊缝横截面的金属流动 14
3.2.2 焊缝纵截面的金属流动 16
3.3 焊缝平面的金属流动行为 17
3.3.1 轴肩摩擦平面的金属流动 17
3.3.2 铝铜界面所在平面的金属流动 19
3.4本章小结 20
第4章 搅拌针长度对金属流动行为的影响 22
4.1 引言 22
4.2搅拌针长度对金属垂直方向迁移行为的影响 22
4.3 搅拌针长度对金属水平方向迁移行为的影响 23
4.4本章小结 26
结 论 27
致 谢 28
参 考 文 献 29
第1章 绪论
1.1研究背景和意义
铜根据其颜色和化学性能可分为黄铜、青铜、紫铜和白铜四大类。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，因此广泛的应用于电器、机械、建筑、冶金、化工等工业部门[1]。但是铜作为稀缺金属,加上铜价近几年上涨过快让对铜需求量大的工业部门不堪重负。与铜的匮乏相反，我国铝土资源十分的丰富，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[2]。为了节约铜资源和减轻构件的重量，在某些场合可以用铝合金取代铜作为构件。但室温下金属铝的电阻率与铜相差较大，在特定的场合无法实现完全的以铝代铜。为了使构件兼顾铜和铝的优异性能，，在许多构件中常采用铜/铝复合结构，不仅减少了贵金属铜的消耗，减轻了构件的重量，节约了成本，而且还能保证构件具有相应的强度。
虽然铜铝复合结构件已经广泛的应用于电气、制冷、化工容器和航空航天工业，但是异种金属连接问题始终不能完善的解决。例如在电气行业中铜铝一般采用铆接的方法连接，这种直接的机械连接接合性能不高，并且由于铜铝之间存在一定的电位差，在潮湿的大气中接触端易发生严重的电化学腐蚀，轻则造成千瓦的电力损失，重则导致严重的危险事故。焊接作为一种永久性的连接技术，获得的产品其寿命、质量、生产成本和可靠性都要优于直接的机械连接。由于异种金属无论是组织成分还是物理化学性能都有很大的差异，所以其焊接要比同种金属焊接复杂很多。特别是铜铝线膨胀系数相差40%，熔点相差超过400℃，由于这种差异的存在，在焊接过程中经常会形成硬而脆的铜铝间化合物，且焊后残余热应力较大，使用一般的焊接方法（特别是熔化焊）很难获得优质的铜铝接头。
搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型的固相连接技术，焊接温度低于金属熔点，焊接过程中不发生金属的熔化，具有绿色、高效、安全、焊接变形量小甚至无变形的特点，已经广泛地应用于有色金属的焊接。而搅拌摩擦焊焊缝成形与焊缝金属材料的迁移行为有直接的关系，因此研究FSW接头的流场对认清FSW的焊接机理和优化焊接工艺十分的重要。
1.2 搅拌摩擦焊技术
1.2.1 搅拌摩擦焊简介
搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是英国焊接研究所（简称TWI）于1991发明的一种固相连接技术，并在同年申请了专利[3]。具有焊接变形小，无裂纹、夹渣、气孔等熔焊方法中常见的缺陷等优势，并能完成一般熔焊方法都无法完成的材料的连接，一经出世便得到高度的重视。FSW过程的原理如图11所示。先把待焊试样放在垫板上然后用夹具压紧，防止在焊接过程中出现松动或者滑移。焊接工具主要由轴肩、搅拌针和夹持部分组成。搅拌针一般不宜过长或者过短，通常设计为轴肩直径长度的三分之一，略比试样板材厚度稍短。为了降低焊接过程中搅拌头所受到的阻力，最大程度减少搅拌针的磨损，通常使搅拌头与板材具有2°～5°的夹角。焊接时搅拌针缓缓插入板材中，直到轴肩接触到板材表面。由于搅拌头与板材摩擦产生热量，在其附近会产生螺旋状的塑性层。焊接过程中一般都是板材不动，搅拌头相对于板材以一定的速度做相对运动。生成的塑性层材料会由搅拌针的前方移向后方，随着搅拌头继续向前运动，其尾部材料开始冷却并形成焊缝，所以会导致搅拌摩擦焊接头的厚度只有木材的94%～97%。轴肩的作用分为两个方面，一方面是与焊件表面摩擦产生热量，另一个重要的方面就是防止塑性状态的材料溢出，并且还可以去除焊件表面的氧化膜。
/
图11 搅拌摩擦焊过程的示意图
FSW过程中包括一些专业术语，如前进侧、后退侧等。前进侧（Advancing Side，简称AS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向一致的一边；后退侧（Retreating Side，简称RS）指的是搅拌头旋转速度方向与焊接速度方向相反的一边。前进侧和后退侧关于焊缝中心对称，焊接时两块板材分别放置于这两侧。如图11是搅拌摩擦焊的过程示意图。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/27.html
