13【开题报告】【精品】铜铝异种金属的搅拌摩擦焊工艺.doc

1、选题的依据及意义 现代机器制造业最迫切的问题之一是在提高结构和设备工作技术性能和可靠的同时，降低金属消耗量[1]。 随着汽车、航空航天、核电等行业不迅速发展，人类对铜的需求量不断增大，尤其是我国作为一个迅速发展的工业国家，对铜的需求更是迫切。但铜为稀缺金属属于战略资源，国内每年需要进口大量铜材[2]。 铜具有极好的导电性、导热性，良好的常温和低温塑性，以及对大气、海水和其他化学药品的耐蚀性。铝及铝合金同样具有优异的物理特性和机械特性，如密度低、比强度高、热导率高、电导率高、耐腐蚀能力强。而且地球上铝的储量远高于铜，价格只是铜的近1/3。所以无论是从人类的长远发展来看，还是从企业的近期利益来看，在某些场以铝部分或全部的替代铜都是末来的发展趋势，而且以铝部分取代铜还能减轻制造体的总体重量。但是要想以铝代铜的关键问题便是铜/铝的连接问题，只有铜/铝获得良好的连接效果才能以铝代铜。 目前铜/铝的焊接方法主要有钎焊、熔化焊、压力焊。熔焊时铜/铝两种金属在一定的比例成分下会生硬脆的CuAl2等金属间化合物，这些金属间化合物的生成会极大地降低焊接接头的力学性能[3]。 搅拌摩擦焊(fricton stir welding，简称FSW)是一种固相连接方法，具有优质、高效、无污染、焊接变形小等特点，在异种材料连接方面有独特优势。焊接过程中金属不发生熔化．从而能够避免产生气孔、裂纹等缺陷；通过调节焊接参数。可以减少焊缝中金属问化合物的数量，获得连续、致密的接头组织。开展铜/铝搅拌摩擦焊研究与应用有着重要的理论意义和实际价值。 2、国内外研究概况及发展趋势 2.1 铜/铝传统焊接方法焊研现状 2.1.1 铜/铝钎焊研究现状 近年来，国内外研究者从工艺参数制定、焊后结合界面组织、接头使用性能评定等方面对铜/铝焊接做了大量研究，各种先进的连接方法得以采用；对于铜/铝焊接接头的推广应用，以及铜/铝异种金属的焊接理论的研究具有重要的意义[4]。 刘凤美等[5]进行了Cu元素对铝/铜钎焊用Zn-Al钎料性能的影响的研究，研究结果表明： Zn-10Al钎料中添加Cu元素，可提高钎焊接头的强度。随钎料中Cu含量的增加，其钎焊强度先增后降；Zn-10Al钎料中添加Cu元素后钎焊接头焊缝中铜侧界面上组织变细小；当Cu含量达7%时，断裂发生在钎料层基体中；钎料中Cu含量过高时，在铜界面上生成层状相。 小山等[6]采用Al-Si-Mg-Bi钎料真空钎焊Cu/Al接头的研究表明：合适的钎焊温度为520～540℃，接头区有CuAl2、Cu3Al2两种金属间化合物生成。断裂破坏发生在金属间化合物处，70%发生在CuAl2相上，接头强度主要由生成的金属间化合物类型决定，焊接条件影响较小。 王冠等[7]在Cu在纯铝基体中的扩散行为研究中认为：在钎焊温度低、保温时间较短的条件下，Cu元素在基体内部尚未充分扩散，在基体晶界上严重偏析，生成A1-Cu相中最脆的θ相(CuAl2)。随着保温时间的延长有利于Cu元素在A1基体中的扩散效果，但过高的钎焊温度又导致θ相的重新出现。 闫飞等[8]在对铜/铝异种金属钎焊研究表明：铜/铝异种金属钎焊过程中出现的缺陷有：在焊缝中生成金属间化合物(脆性相)、母材溶蚀、钎缝腐蚀、钎缝不连续、钎缝氧化等。针对钎焊过程中出现的缺陷，主要从工艺参数方面采取有效措施予以解决，如选用与母材匹配的钎料，制定合理的钎焊温度和冷却速率，适当的保温时间，Cu元素的进一步扩散也生成金属间化合物。 2.1.2铜/铝熔化焊研究现状 铜/铝熔化焊主要包括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，由于铜和铝的熔点相差较大，往往造成铝熔化了而铜还处于固态，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大。铜和铝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。铜/铝熔焊过程极易产生脆性金属间化合物，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1μm以下，且焊缝中Cu质量分数在12%以下时才具有最佳综合性能[9]。 Mai等[10]采用350WNd：YAG激光焊成功地对1mm厚的铜和铝进行了焊接。研究表明：由于激光输入能量的可控性以及能量的高密度性，激光焊能够实现对能量分布的控制，极大减小连接金属间的相互作用，避免脆性金属间化合物的产生，使异种金属的焊接能够得到满意的接头。 2.1.3铜/铝电阻焊研究现状 刘忠翔等[11]经过多次实验证明铜/铝可以用点焊焊接的。关键是解除铝的氧化层的影响，而交流焊时的焊接压力，电磁搅拌力可使氧化层破碎分解及清除。他提出了铜/铝过渡接头的点焊新方法：即铝的电极电位为-1.66v， 铜的电极电为+0.52 v，存在着明显的电位，当大电流流经接触处时往往在接触处将铝线烧断