铝/铜双金属层状复合板搅拌摩擦焊接技术研究

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鉴于铝/铜双金属层状复合板在工程领域的重要应用价值及其在焊接过程中存在的问题,本文选用铜复层厚度较薄的两种铝/铜双金属层状复合薄板作为研究对象,探索搅拌摩擦焊接(FSW)过程对于接头成形、组织以及性能的影响。同时,为了降低搅拌工具对于铜复层的不利影响,提出采用在待焊位置上添加补偿板的方式,来降低复层在FSW中发生稀释破坏作用的可行性。对于铜复层厚度占比为0.23的铝/铜双金属层状复合板,通过铜复层在上的固定方式对其进行FSW。研究发现,在搅拌头旋转速度(ω)为900 r/min,焊接速度(?)为150mm/min,即ω/?=6的焊接工艺参数下,可以获得铜复层保存良好的焊接接头。与此同时,当热输入过低或过高时,都会导致铜复层的稀释破坏。另外,当采用铝基层在上的固定方式进行FSW时,会在接头底部产生明显的隧道缺陷。对铜复层在上的方式获得的FSW焊接接头的组织与性能分析表明,相较于温度较低的后退侧,在温度较高的前进侧铝-铜界面区域形成了更厚的脆性Al-Cu金属间化合物层。由于金属间化合物对接头性能的不利影响,接头平均抗拉强度约为母材强度的62.7%,断裂发生在接头前进侧中Al-Cu金属间化合物层处,主要呈混合断裂特征。接头的平均电导率可达复合板母材的94.1%。对于铜复层厚度占比为0.142的铝/铜双金属层状复合板,当下压量为0.2 mm时,通过ω=900 r/min,?=150 mm/min,即ω/?=6的恒定焊接工艺参数,采用铜复层在上并添加补偿板的方式进行FSW。实验表明,补偿板厚度较薄时,铜复层被破坏的程度有所减轻;但当补偿板厚度过厚时,补偿板与铜复层之间未形成有效结合;当添加补偿板厚度为1.5 mm时,可以获得铜复层连续的良好对接接头。对于添加厚度为1.5 mm的补偿板时获得的FSW接头组织分析表明,在接头中前进侧和后退侧近轴肩区域的铝-铜界面位置,均形成了一层较厚的Al-Cu金属间化合物层。由于铝基层有效板厚有所减少,以及接头中金属间化合物对接头性能的不利影响,接头平均抗拉强度约为母材的50.8%。断裂发生在接头前进侧,呈现混合断裂特征。接头的平均电导率可达复合板的98.3%。
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