铝铜焊接毕业论文开题报告Word下载.doc
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铝与铜异种金属电弧熔钎焊研究
学科:
材料加工工程
学院:
材料科学与工程学院
入学时间:
2012年9月
开题时间:
2014年1月15日
2014年
1月
15日
填报说明
一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印,开题报告格式可在研究生部网址http:
//www.
二、开题报告为A4大小,于左侧装订成册。
各栏空格不够时,请自行加页。
三、开题答辩成绩(即每个学生开题报告评审表的平均成绩)由学院研究生专干填写,学院负责人签署是否同意开题的意见。
五、开题报告通过后,分别由研究生、导师、学院和研究生部各存档一份。
学位论文题目
课题来源
国家自然科学基金
一、课题意义及国内外研究现状综述
1、研究的背景及意义
进入新世纪以来,随着科学技术和工业水平的飞速发展,具有优异性能的新材料和新结构不断得到开发和应用。
将两种或两种以上的金属通过一定的加工工艺进行连接而构成一个完整的具有一定实用功能的异种金属连接结构,新形成的连接结构不仅能满足不同工作条件对材质的不同要求,而且还能节约贵重金属,降低结构整体成本,充分发挥不同材料的性能优势。
因此,异种材料焊接技术越来越受到人们的关注,具有广阔的应用前景[1-4]。
自然界中,铜及铜合金具有优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的耐蚀性,因而成为电子、化工、船舶、能源动力、交通等工业领域中换热管道、导电装置及抗腐蚀部件的优选材料,在人类发展中起着至关重要的作用。
然而,作为一种应用广泛的重要资源,铜在我国的储量并不丰富,消耗量居于世界前列,我国可供经济利用的铜储量已经大幅减少,铜资源远远满足不了社会发展和经济建设的需求,国内每年需要进口大量铜材,同时铜的价格近些年一直居高不下,而且还在持续的攀升中。
例如我国2007年铜的消费量为4860.9千吨,比欧洲诸国(比利时、法国、德国、意大利、波兰、俄罗斯)的铜消费总量4748.8千吨还多[5]。
2003年以来,电解铜的价格为2.3万元/吨,到2007年已经达到6.5万元/吨,这之间还曾高达到8.2万元/吨。
中国矿业联合会研究表明,到2020年中国所需的45种主要矿产可基本划分为可以保证、基本保证、短缺、严重短缺四类。
铜属于严重短缺的9种矿产之一[6]。
在所发现的金属中,铝及其合金不但具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐腐蚀稳定性,而且具有良好的导电性、导热性、成形性和焊接性能,同时价格又低,从而成为航空、航天、船舶、铁路及武器装备等工业中应用广泛的有色金属结构材料[7],在很多使用铜的场合用铝代替完全能够满足使用性能上的要求,这就可以使产品成本大大降低[8]。
首先,从导热性能分析,铜的热导热为359.2W/mK,铝的导热系数为206.9W/mK,铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金而居于第四位,铝在一定程度上可以代替铜;
其次,铝的价格要比铜的低很多,截止2010年3月,铜的现货价格为5.8万元/吨左右,而铝的现货价格仅为1.5万元/吨左右,即铜的价格是铝的3.8倍,而且这种价格差距将日趋增大;
再次,从铜和铝在地壳中储量来看,铜在地壳中的含量为0.01%,而铝的含量高达8%。
因此除降低成本之外,用铝取代铜的意义还在于缓解铜资源尤其是我国铜资源的紧张状况。
综上所述,以铝代铜的研究和应用有着广泛的前景和深远的意义[9]。
铝的性能在某些方面还不如铜的优异,因而在许多结构件中铝质构件仍就不能完全替代铜质构件。
因此,在以铝代铜的应用中,铝/铜连接是必由之路口。
铝铜复合件的应用在电力行业尤其广泛,如图1所示。
图1铝铜接线柱和铝铜接线鼻子
铝和铜之间的焊接属于异种金属的焊接,而异种材料的焊接性取决于两种材料的晶体结构、微观组织、物理性能和表面状态等,两种材料的性能差异越大,可焊接性越差。
铝与铜之间的焊接难度较大,这是由于:
①熔点相差大:
纯铝的熔点为660℃,纯铜的熔点为1083℃。
由于铝和铜的熔点相差很大(423℃),难以同时熔融。
②易氧化:
铝和氧有着很大的化学亲和力,在空气中铝表面易形成一层致密的A12O3氧化膜,焊接时阻碍铝和铜的结合,给焊接带来了困难。
③易产生裂纹:
在焊接时生成低熔点共晶Al-A12Cu或Cu-Cu2O共晶体,使焊缝变脆,而且铝铜的膨胀系数差别大,容易导致焊缝产生裂纹。
④易腐蚀:
铝和铜之间的电极电位差为1.997v,易导致电化学腐蚀(铝的标准电极电位为1.66v,铜的标准电极电位为0.337v)。
⑤易形成气孔:
高温时,液态的铝和铜能够溶解和吸收大量的气体(如氢),冷却时,冷却时,氢在铝和铜液中的溶解度迅速下降,来不及溢出的氢在焊缝中形成气孔。
这一系列的问题给铝与铜的焊接带来许多困难。
常规的焊接方法在铝-铜的连接问题上受到了种种限制,比如压力焊接和钎焊,虽然可以得到良好的接头,但这些方法效率低、成本高,且焊接尺寸受到限制[10]。
本课题采用旁路耦合MIG焊对铝-铜异种金属进行焊接,焊接结构原理如图2所示。
脉冲DE-GMAW焊接方法能够在高熔敷率下有效地控制母材热输入,并可以通过调节旁路电弧参数实现焊丝和母材之间热量的合理分配[11-14]。
这些特点为优化高效焊工艺和便于过程自动控制奠定了基础。
同时,该方法对焊接电源的要求较低,采用常规非脉冲电源即可实现对熔滴过渡过程的控制,有利于实现低成本的高效MIG/MAG焊接,对实际生产具有重要的意义。
图2脉冲DE-GMAW示意图
本课题采用脉冲DE-GMAW焊接系统连接铝铜异种金属,主要研究不同焊接参数下铝铜异种金属焊接接头相的组成和分布,以及对材料力学性能的影响;
建立金属间化合物的生长模型,分析固相高熔点铜和液相低熔点铝的冶金结合的机理;
掌握焊接热输入对晶体生长规律的影响。
这些科学问题的研究对了解铝铜金属间化合物晶体形貌,控制晶体生长以提高材料的性能具有重要的意义。
2、国内外研究现状综述
近年来,国内外对于铝铜焊接进行了大量的研究,采用了多种方法。
铝铜之间的焊接,是焊接领域的难点问题,其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素,压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态,同时焊接热输入容易控制,因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度,但是这种焊接方法效率较低,对工件的尺寸和形状有特殊的要求,不适于大批量生产。
而熔焊方法比较灵活,效率较高,但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物,并且容易在焊缝中产生大量气孔等缺陷。
[15-17]
2.1铝/铜的熔化焊
在铝铜熔焊时,一般只有铝处于熔化状态,如果铜也处于熔化状态,则焊缝将全部由脆性的金属间化合物组成。
也就是说,铝铜熔焊的实质是熔化的铝和固相的铜通过反应而结合在一起,这种结合过程同时兼备熔焊和钎焊的特点,接头形式一般为对接或者搭接,但以搭接接头为主。
因此,熔化的铝与固态的铜的反应,对于这种异种接头的焊接行为和焊接质量具有决定性的影响。
铝-铜熔化焊包括TIG焊、MIG焊、气焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊等方法。
其熔化焊过程中,由于铝和铜的熔点相差较大,易形成未熔合和夹杂,焊接难度较大;
铝和铜强烈氧化形成氧化膜,氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水,容易在焊缝中产生气孔等缺陷;
熔焊过程极易产生脆性金属间化合物,根据铝铜二元相图得出,焊接温度区间内,铜和铝可以形成多种金属间化合物,主要有Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3A12、CuAl2、CuAl等,接头的强度随着金属间化合物的增加而降低,必须将焊缝中金属间化合物脆性层控制在1µ
m以下,且焊缝中Cu的质量分数在12%~13%以下时才具有最佳综合性能[18]。
因此采用熔焊时,焊接方法和工艺的选择要考虑铝与铜在熔点等物理性能上的差异,采取措施防止铝、铜氧化,并设法控制焊缝金属中铜的含量在上述最佳范围内,或者采用铝基合金,尽量减少铜与液态铝相接触的时间,以降低形成金属间化合物对接头强度和塑性的影响。
前苏联的里亚博夫[19]采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧焊的方法实现铜铝对接焊,但焊缝强度和塑性较低。
电子束焊和激光焊的优点是能量集中,密度高,焊缝熔深大、熔宽小,比较适合铝铜焊接。
但缺点是接头强度低,由于产生金属间化合物,强度远低于母材。
Mai[20]等人采用350WNd:
YAG激光加热对Cu与4047Al基体进行熔化的焊接研究表明:
Cu/4047Al接头熔合区的显微硬度明显偏高,表明熔合区主要由脆性金属间化合物组成,同时由于激光加热温度梯度较高,易形成较高的残余应力,焊接速度超过100mm/min时在焊缝中出现大量裂纹。
由此可以看出,用熔化焊难以获得高质量的铝铜接头。
2.2铝/铜压焊
铜与铝具有良好的塑性,铝的压缩率可达60%~80%,铜可达80%~90%[21],因此采用压焊方法可得到质量优异的铝/铜接头。
在压焊过程中采用铜/铝过渡接头,可避开铜与铝熔焊存在的问题,将异种金属的焊接转变为铝与铝、铜与铜之间同种金属的焊接。
与熔焊相比,压焊工艺简单,更易得到理想的焊接接头。
2.2.1冷压焊冷压焊接头在室温下形成,在压力作用下将Al表面的氧化物或其他污染物破碎并排除,依靠固体表面的局部流动变形,使原子充分接近而达到有效结合,铝与铜的结合面不发生熔化,不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷。
接头附近无热影响区,接头内部不会产生铝/铜脆性化合物。
无需考虑熔焊时铝、铜熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。
因此相对来讲,冷压焊容易获得质量较高的焊缝接头,焊接铜带和铝箔较为理想。
焊前的表面准备工作直接影响冷压焊的接头质量。
采用不同表面处理方法所获得的接头强度各不相同,其中焊前用钢丝刷刷光处理过的接头强度最高[22]。
2.2.2摩擦焊
摩擦焊是焊接铝铜时较常用的一种压焊方法,是在材料的塑性变形与流动的基础上,通过界面上的扩散与再结晶冶金反应实现连接的固态焊接方法,异种材料熔点的差异对摩擦焊影响较小,主要用于圆柱形或管状的铝件与铜件的对接。
摩擦焊不能焊接太长的、固定的和不对称的母材;
焊接接口部位由于扭转压缩产生凸起,母材的纤维组织凸起的方向与受载方向平行,致使承载能力下降。
摩擦焊焊接界面温度主要取决于工件旋转速度及压力大小。
降低铝/铜摩擦焊的转速并适当的调节摩擦压力即可在稳定摩擦阶段获得低温,从而避免脆性化合物的出现。
结果表明,采用合适的工艺参数能够获得不低于铝母材强度的摩擦焊接头:
当转速超过1000r/min以后,接头界面出现脆性的金属间化合物层,接头将在此处发生脆断[23]。
进一步研究表明,铝/铜摩擦焊界面化合物层厚度随转速增加和摩擦压力减小而增加,一定厚度的化合物层会提高接头的抗拉强度,但化合物厚度持续增加就会使接头强度降低[24]。
Won~BaoLee[25]等人采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1050铝合金的焊接,分析了接头中铜铝金属间化合物的生长规律对接头电阻率及力学性能的影响。
研究表明:
金属间化合物宽度为21μm时,其电阻率为45μΩ•cm;
当金属间化合物的宽度增加至107μm时,电阻率变为85μΩ•cm。
抗拉强度因金属间化合物的增长而降低,断裂位置从Al侧热影响区变为整个金属间化合物层。
OchiH.等人[26]详细研究了接头界面化合物形成对铝/铜异种材料摩擦焊焊接性的影响,发现1050、
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