铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究可编辑.docx
- 文档编号:27910447
- 上传时间:2023-07-06
- 格式:DOCX
- 页数:26
- 大小:30.80KB
铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究可编辑.docx
《铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究可编辑.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究可编辑.docx(26页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究可编辑
铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究(可编辑)
铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接的研究
西安建筑科技大学硕士论文
铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接研究
专业:
材料加工工程
硕士生:
吴楠
导师:
王快社教授
摘要
搅拌摩擦焊接作为一项新型固相焊接技术,与传统的熔化焊接相比,具有焊
接温度低、接头性能高、焊接过程简单易操作等优点。
对铝铜层状复合板进行搅
拌摩擦焊接实验,借助热电偶、金相显微镜、扫描电子显微镜、电子拉伸机及显
微硬度计对不同参数下焊接的焊接温度场、焊缝的组织形貌及力学性能进行观察
与测量。
论文的主要研究结果有:
焊接温度峰值与搅拌头转速成正比,与焊接速度成
反比,当转速为1500r/min,焊接速度为47.5mm/min时,焊接温度峰值最高可达
441?
;焊接热输入量越大,焊缝表面及内部的缺陷越少。
铝铜复合板的搅拌摩擦
焊接接头可分为焊核区、轴肩影响区、热机械影响区、热影响区以及母材区,在
焊缝区域内铝、铜金属呈层状分布。
焊接速度恒定时,随着搅拌头转速增大,铝
和铜晶粒尺寸先增大后减小;搅拌头转速恒定时,随着焊接速度增大,铝和铜晶
粒尺寸逐渐减小。
焊接接头的铝铜界面处有铝、铜元素的相互扩散,其中铜在铝
中的扩散程度大于铝在铜中的扩散程度。
焊接热输入量越大,铝铜界面处扩散层
厚度越大,反之,扩散层厚度越小。
焊接速度恒定时,随着搅拌头转速增大,抗
拉强度和延伸率逐渐增大;搅拌头转速恒定时,随着焊接速度增大,焊缝抗拉强
度和延伸率先增大后减小。
当转速为1500r/min,焊接速度为60mm/min时,抗拉
强度和延伸率最高可达154.61MPa和6%。
关键词:
搅拌摩擦焊接;铝铜层状复合板;焊接温度场;组织性能;界面
西安建筑科技大学硕士论文
西安建筑科技大学硕士论文
ResearchonFrictionStirWeldingofAl/CuCladPlates
Specialty:
MaterialsProcessingEngineering
Name:
WuNan
Instructor:
Prof.WangKuaishe
ABSTRACT
Asanewkindofsolidweldingtechnology,frictionstirweldinghaslowerwelding
temperature,betterpropertiesoftheweld,andeasieroperationthantraditionalfusion
welding.ThefrictionstirweldingofAl/Cucladplateswasstudied.Thewelding
temperaturefields,structureandmorphology,mechanicalpropertiesoftheweldsat
differentweldingparameterswerestudiedbythermocouples,opticalmicroscope,
scanningelectronmicroscope,electronictensilemachineandmicrohardnesstesterThemainresultsareasfollows:
Thetopvaluesofweldingtemperatureareindirect
proportiontorotationspeedandininverseproportiontoweldingspeed.Thehighesttop
valueofweldingtemperatureis441?
whentherotationspeedis1500
r/minandthe
weldingspeedis47.5mm/min.Theexternalandinternaldefectsoftheweldsare
gettinglesswithmoreheatinput.ThefrictionstirweldofAl/Cucladplatesconsistsof
fivedistinctmicrostructuralzones:
thenuggetzone,theshoulderaffectedzone,the
thermo-mechanicallyaffectedzone,theheataffectedzone,andthebasemetal.The
distributionofaluminumandcopperislayerlikedintheareaoftheweld.Whenthe
weldingspeedisconstant,thegrainsizeofaluminumandcopperfirstlyincreasesand
thendecreaseswiththeincreaseofrotationspeed.Whentherotationspeedisconstant,
thegrainsizeofaluminumandcoppergraduallydecreaseswiththeincreaseofwelding
speed.TheelementsofaluminumandcopperdiffusetoeachotherintheAl/Cu
interfaceofthewelds.Thediffusionextentofcoppertoaluminumisbiggerthanthe
diffusionextentofaluminumtocopper.Thethicknessofdiffusionlayerintheinterface
isgettingthickerwithmoreheatinput,conversely,thethicknessofdiffusionlayeris
gettingthinnerwithlessheatinput.Whentheweldingspeedisconstant,theultimate
tensilestrengthandelongationgraduallyincreasewiththeincreaseofrotationspeedWhentherotationspeedisconstant,theultimatetensilestrengthandelongationfirstly
西安建筑科技大学硕士论文
increaseandthendecreasewiththeincreaseofweldingspeed.Theultimatetensile
strengthandelongationoftheweldisashighestas154.61MPaand6%whenthe
rotationspeedis1500r/minandtheweldingspeedis60mm/minKeywords:
frictionstirwelding;Al/Cucladplate;weldingtemperaturefield;
microstructureandproperties;interface
西安建筑科技大学硕士论文
1绪论.1
1.1引言1
1.2搅拌摩擦焊接简介1
1.2.1搅拌摩擦焊接原理及特点1
1.2.2搅拌摩擦焊接的应用领域31.3双金属复合板的特点及其焊接性71.3.1双金属复合板的特点.71.3.2双金属复合板的制备.81.3.3复合板的焊接性.101.4铝铜异种金属搅拌摩擦焊接研究现状131.5本文研究内容及意义141.5.1研究内容.14
1.5.2研究意义.14
1.6本章小结14
2实验材料与方法15
2.1实验材料15
2.2实验方案15
2.3实验方法与设备16
2.3.1搅拌摩擦焊接实验及设备162.3.2搅拌摩擦焊接温度场测量172.3.3微观组织观察18
2.3.4力学性能测试19
2.4本章小结20
3实验结果分析.21
3.1铝铜复合板搅拌摩擦焊接温度场分析213.1.1铝铜复合板搅拌摩擦焊接温度场的测量21
3.1.2转速对铝铜复合板搅拌摩擦焊接温度场的影响223.1.3焊速对铝铜复合板搅拌摩擦焊接温度场的影响23I西安建筑科技大学硕士论文
3.2焊接参数对铝铜复合板焊缝成型性的影响.243.2.1焊接参数对焊缝表面成型的影响.243.2.2焊接参数对焊缝内部成型的影响.253.2.3焊缝缺陷分析28
3.3铝铜复合板搅拌摩擦焊接接头组织分析303.3.1接头的形貌.30
3.3.2焊接参数对铝、铜NZ组织形貌的影响333.4铝铜复合板搅拌摩擦焊接接头力学性能分析373.4.1显微硬度分析37
3.4.2拉伸性能分析39
3.4.3拉伸断口形貌分析.41
3.5讨论44
3.6本章小结47
4铝铜复合板搅拌摩擦焊接接头成分及界面分析494.1轴肩影响区和焊核区的成分及界面分析494.1.1轴肩影响区的成分分析49
4.1.2焊核区的成分分析.50
4.1.3焊核区底部铝铜界面分析.51
4.1.4焊核区与轴肩影响区界面分析53
4.2铝铜复合板搅拌摩擦焊接接头界面分析54
4.2.1焊核区中铜颗粒与铝基体的界面分析55
4.2.2热机械影响区的铝铜界面分析56
4.2.3焊接参数对热机械影响区铝铜界面的影响57
4.3讨论59
4.4本章小结62
5结论63
致谢.65
参考文献67
附录攻读硕士学位期间获奖及发表的论文.73
II西安建筑科技大学硕士论文
1绪论
1.1引言
搅拌摩擦焊接(FrictionStirWelding,简称FSW)是一种新颖而有潜力的固相
焊接技术,由英国焊接研究所(TheWeldingInstitute,简称TWI)于1991年研发
[1]
并应用。
在进行搅拌摩擦焊接时,待焊接材料将发生剧烈的塑性变形,有助于细
化焊接接头组织并使其均匀化。
焊接过程中焊接温度较低,将有助于避免裂纹、
气孔等熔化焊接缺陷的产生,使组织粗化的倾向降低,使得焊接接头的强度和韧
[2][3,4][5-7]
性均得到提高。
目前,搅拌摩擦焊接技术已成功地应用于铝合金、铜合金、
[8,9][10-12][13-15][16,17][18,19][20,21]
镁合金、钛合金、不锈钢、碳钢、工程塑料、复合材料
[22-24]
以及异种金属材料的焊接,具有巨大的发展潜力和广阔的应用前景。
铝铜复合板是一种层状复合材料,是将铝、铜金属在整个接触面上相互紧密
结合在一起的复合板材。
一方面具有铜的导电、导热率高、接触电阻低等优点,
另一方面也具有铝的质量轻、耐腐蚀、价格低廉等优点,故广泛应用电子、电器、
电力、冶金设备、汽车、机械、能源以及生活用品等各个工业领域。
在层状复合
板的加工和使用过程中,焊接是一项必不可少的工艺环节。
然而,传统的复合板
焊接方法存在诸多不足,如:
焊接工艺复杂、易产生焊接热裂纹及焊接渗透裂纹、
[25]
产生气孔的倾向严重、晶粒粗化严重、接头抗腐蚀性差等。
根据搅拌摩擦焊接
技术的特点,本文拟对铝铜层状复合板进行搅拌摩擦焊接,并分析接头的组织和
力学性能。
1.2搅拌摩擦焊接简介
1.2.1搅拌摩擦焊接原理及特点
搅拌摩擦焊接主要是借助搅拌头的高速旋转与向前移动相结合来实现,搅拌
头主要由搅拌针和轴肩两部分组成。
搅拌摩擦焊接过程如图1.1所示。
进行搅拌摩
擦焊接时,搅拌头高速旋转,与此同时搅拌针缓缓挤入被焊材料的接缝部位,直
至搅拌头轴肩与被焊材料的表面紧密接触。
搅拌针挤入焊件接缝内部进行高速搅
拌与摩擦,所产生的剪切摩擦热与塑性变形热使焊件软化并达到热塑性状态,使
焊缝金属发生剧烈的塑性流变。
搅拌头不仅高速旋转,还在旋转的同时沿焊接方
1西安建筑科技大学硕士论文
向相对于焊件向前移动。
在搅拌头旋转与前进的过程中,热塑化的金属流向搅拌
[1]
针后部,冷却而得到焊缝,从而实现两个焊件的固相焊接。
图1.1搅拌摩擦焊接示意图
Fig.1.1SchematicrepresentationofFSWprocess
[26]
相比于传统的熔化焊接,搅拌摩擦焊接具有以下优点:
(1)焊接过程无污染。
焊接过程无烟雾、粉尘、飞溅及弧光污染,工作环境
较好;
(2)耗材少。
焊接用搅拌头为非消耗性材料,经验证,一个搅拌头即可焊接
1000米6系铝合金而无需更换。
同时无需填丝以及保护气体;
(3)焊接缺陷少。
若焊接参数合适则一般不产生缺陷;
(4)变形小。
焊接长焊缝时的变形程度远小于熔化焊接;
(5)接头力学性能良好。
经拉伸、断裂、弯曲及疲劳等实验证明,搅拌摩擦
焊接接头力学性能明显优于熔化焊接接头;
(6)无需特别的焊前准备。
材料表面氧化膜在焊接过程中即可自动去除;
(7)焊接过程操作简便;
(8)焊接设备简单。
可由现有铣床经加工改造而成,易于实现焊接自动化。
随着研究的深入,搅拌摩擦焊接技术的缺点正在逐
步被发现并改进,该技术
[26]
目前存在的主要不足有:
(1)被焊材料必须固定夹紧,对焊接装配有较高要求;
(2)需在焊件底部工装垫板,用以对焊件进行刚性支撑;
(3)搅拌摩擦焊接的焊接速度低于熔化焊接;
(4)在焊接完成后会在焊缝末端留下匙孔;
(5)对焊接设备的精度和刚性有较高要求;
(6)目前只适用于焊接大型零部件,无法对复杂焊缝和精密零件进行焊接;
2西安建筑科技大学硕士论文
(7)缺乏全国通用的搅拌摩擦焊接标准。
1.2.2搅拌摩擦焊接的应用领域
由于具备上述优点,搅拌摩擦焊接技术自1991年发明以来就被应用于多种工
业焊接领域,如在轨道交通、船舶制造、汽车制造、航空航天以及核工业部门中,
搅拌摩擦焊接技术已得到广泛的应用。
(1)轨道交通领域
在轨道交通领域,由于列车高速化与车体轻量化的发展需求,对列车车体的
接头强度及其安全性的要求也日渐提高。
对于高速列车或行驶速度超过
500km/h
的超高速列车,采用铝合金中空挤压型材结合搅拌摩擦焊接的制造形式,可以加
强结构的整体性,同时又减轻了车体的重量,而且焊接变形较小,无需焊后矫形,
[27]
生产效率高。
[28]
都青华等人开发了新的铝合金列车车体搅拌摩擦焊接接头形式,如图1.2
所示。
并且对焊接接头进行了静强度和疲劳强度等测试,测试发现,搅拌摩擦焊
接的接头抗拉强度达到母材的84%,高于ISO15614-2标准所规定的焊缝强度系数
7
不低于母材60%的标准;疲劳强度测试中试样的循环次数N达到10时,搅拌摩
擦焊接接头的应力值约为112MPa,熔化极氩弧焊接头的应力值约为80MPa,而
母材的应力值约为120MPa,可以看出搅拌摩擦焊接接头的疲劳强度较熔化极氩弧
焊接头更接近母材。
图1.2列车车体搅拌摩擦焊接接头
Fig.1.2Frictionstirweldsoftrain
日本日立和川崎重工已经将搅拌摩擦焊接技术应用于市郊列车和新干线高速
列车的制造;日本轻金属公司采用搅拌摩擦焊接技术焊接地铁车辆,制造的工件
长度已达3km,焊接接头质量良好;日本住友轻金属公司将挤压型材搅拌摩擦焊
接应用于新干线高速列车的生产,列车最高速度可达285km/h。
列车车体搅拌摩
[29]
擦焊缝如图1.3所示。
3西安建筑科技大学硕士论文
图1.3列车车体搅拌摩擦焊缝
Fig.1.3Frictionstirweldingjoiningoftrain
(2)船舶制造领域
搅拌摩擦焊接技术在造船领域的应用将有助于减轻船体重量、节约制造时间、
增加船体强度,同时还能大大降低成本(不需添加昂贵的焊丝),故搅拌摩擦焊接
[30]
技术在船舶制造领域的应用将越来越广泛。
采用金属钛建造海军舰艇,将使得舰艇在同等体积下减轻质量,可以搭载更
多载荷,在实际使用过程中不易产生腐蚀。
但是普通熔化焊接钛合金难度大、成
本高,阻碍了钛合金在船舶制造领域的应用。
搅拌摩擦焊接技术的出现改变了这
一现状,美国海军研究局(ONR)利用搅拌摩擦焊接技术制造了全尺寸钛合金船
体,焊接了6块长达6m的钛合金主甲板,还焊接了长达21.3m的钛合金焊缝,
[31]
这也是到目前为止最长的钛合金搅拌摩擦焊缝。
(3)汽车制造领域
北京赛福斯特公司研发了汽车铝合金轮毂简体纵缝的搅拌摩擦焊接设备,该
设备外形美观、结构紧凑,采用自适应可更换的压紧夹具,装配有先进的数控系
统(贝加莱数控系统),提高了焊接质量和生产效率。
该设备的可焊接厚度为2~8
[32]
mm,可焊接长度为1500mm。
利用该设备焊接的汽车铝合金轮毂构件如图1.4
所示。
轻量化是汽车工业发展的必由之路,搅拌摩擦焊接技术将对汽车轻量化的发
展起到重要作用。
搅拌摩擦焊接技术还可应用于多种汽车零部件的生产与制造,
[33]
如汽车后桥、泡沫铝材结构、缝合坯料车身、汽车悬挂支架以及防撞缓冲器等。
4西安建筑科技大学硕士论文
图1.4搅拌摩擦焊接汽车铝合金轮毂构件
Fig.1.4Aluminumalloyautowheelhubcomponentmadebyfrictionstir
welding
(4)航空航天领域
美国军用大型运输机C-17的载货斜坡与舱内地板利用搅拌摩擦焊接技术制造,
节省制造成本360万美元,并使运输机机身有效减重180kg。
空中客车公司利用
搅拌摩擦焊接技术制造A340-600型客机的翼肋,同时在A350型客机的机身纵缝
的焊接中使用该技术,取代传统的铆接方式。
资料表明,每焊接一米长的飞机机
身焊缝,使用搅拌摩擦焊接技术可减重0.9kg。
Eclipse公司的
Eclipse-500型商务
飞机实现了搅拌摩擦焊接全面代替铆接结构,包括飞机蒙皮、翼肋、飞机地板、
弦状支撑等,号称全搅拌摩擦焊飞机。
单架飞机搅拌摩擦焊接焊缝共长136m,代
[34]
替了7378个铆钉,生产效率比铆接提高6
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 层状 复合板 搅拌 摩擦 焊接 研究 编辑