【摘 要】
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在全球节能减排、资源节约和环境保护的背景下,轻量化、“铝代铜”已经成为制造业的主流发展趋势,Cu/Al复合结构的应用需求更广泛,行业内迫切需要研究开发优质高效的Cu/Al连接新技术。鉴于此,本人所在课题组在长期从事电磁成形、半固态成形及钎焊研究的基础上,提出了磁脉冲辅助半固态钎焊新方法,充分利用各工艺的特点及组合优势,来实现Cu/Al异种金属管件的有效连接。本文则以该新工艺的钎焊过程为研究对象、以
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在全球节能减排、资源节约和环境保护的背景下,轻量化、“铝代铜”已经成为制造业的主流发展趋势,Cu/Al复合结构的应用需求更广泛,行业内迫切需要研究开发优质高效的Cu/Al连接新技术。鉴于此,本人所在课题组在长期从事电磁成形、半固态成形及钎焊研究的基础上,提出了磁脉冲辅助半固态钎焊新方法,充分利用各工艺的特点及组合优势,来实现Cu/Al异种金属管件的有效连接。本文则以该新工艺的钎焊过程为研究对象、以去膜效果及晶粒细化为目标,采用理论分析、数值模拟和试验研究相结合的方法,重点考察钎料厚度、成分对其流变行为及接头组织性能的影响,为该新工艺的后续工程应用提供钎料设计方面的理论和数据支撑。首先,本文基于LS-DYNA软件平台,建立了Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊过程的多物理场耦合分析模型,分析了半固态钎料在钎焊过程中所受压力及剪切力随厚度及位置的变化规律,模拟结果表明:固、液复合成形阶段,半固态钎料各部位所受压力及剪切力的复合作用表现为搭接部位顶部最强、底部次之、中部最弱,因此氧化膜的去除效果也应表现出相似的分布特征;随着半固态钎料厚度增大,其各部位所受压、剪复合作用逐渐减弱,不利于母材表面氧化膜去除、钎料组织细化及钎焊过程中的界面扩散反应。其次,基于模拟分析结果,设计了相应的Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊试验,试验结果表明:接头中部的连接最为薄弱,易产生焊接缺陷;随着钎料厚度的降低,接头钎缝区域组织逐渐细化,验证了模拟分析的正确性。但是当钎料厚度过低时,接头会产生缺料的缺陷。在初次放电电压为4.5kV、二次放电电压为6.5kV、钎料厚度为300μm且固相率为0.6的条件下,可获得综合性能优良的Cu/Al管接头。考虑到Si能有效抑制CuAl2等金属间化合物的生成,并有效改善钎料的流动性;而Mg能与氧化铝发生反应而达到在焊接过程中去除氧化膜的效果。因此,本文还通过试验方法研究了Zn-15Al-xSi/Mg钎料微量元素成分对无钎剂钎焊Cu/Al管接头组织、性能的影响,结果表明:Cu/Zn-15Al-xSi/Al钎焊接头中部钎缝区主要由Zn-Al共晶基体、α-Al、η-Zn、花状的CuZn5、分布于钎缝中的Al-Si共晶以及依附于Cu侧扩散层生长的Al4.2Cu3.2Zn0.7组成。当钎料中Si元素质量分数从0.5%增加到1.0%时,Cu/Al管钎焊接头钎缝中的晶粒有细化的趋势,但当Si元素质量分数增加到1.5%时,Al-Si共晶会在接头Al侧界面部分区域产生聚集而引起焊接缺陷;而Cu/Zn-15Al-x Mg/Al钎焊接头中部钎缝区则主要由Zn-Al共晶基体、α-Al、η-Zn、花状的Mg Zn2、CuZn5及Al4.2Cu3.2Zn0.7组成。随着钎料中Mg元素含量增加,钎料在固相率为0.6时的半固态温度逐渐下降,Cu/Al钎焊接头钎缝中的组织逐渐细化,接头抗剪切强度也呈现略微上升的趋势。但是钎料自身的塑性会随着Mg元素含量的增加而出现降低。综合试验结果表明,Zn-15Al-1.0Si和Zn-15Al-0.6Mg的钎焊接头具有良好的综合性能,适合于Cu/Al管磁脉冲辅助半固态钎焊。
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