纯铜及铜-铝搅拌摩擦焊接头组织与性能研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 薛鹏 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2012 |
| 授予单位 | 中国科学院金属研究所 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 马宗义 ; 肖伯律 |
| 关键词 | 硬态纯铜 异种金属 微观组织 力学性能 搅拌摩擦焊接/加工 workhardened pure Cu dissimilar metals microstructure mechanical properties friction stir welding/processing |
| 学位专业 | 材料加工工程 |
| 中文摘要 | "搅拌摩擦焊接(Friction stir welding, FSW)是针对焊接性差的高强铝合金开发的一种新型固相连接技术。自发明后，FSW技术很快在铝合金领域成功商业应用，并迅速推广到镁合金领域，成为目前两种金属材料焊接的首选工艺。然而，与低熔点的铝合金、镁合金相比，关于高熔点的铜合金以及异种金属之间FSW的研究还较少。本研究对纯铜和铜-铝异种金属的FSW工艺进行了系统研究，并对接头的微观组织和力学性能做了深入、细致的探讨。主要目标为：得到影响纯铜及铜-铝FSW接头质量的关键因素，揭示FSW纯铜接头热影响区及铜-铝接头界面区微观组织特征与力学性能之间的关系。主要开展了以下几方面的研究工作： 选取硬态纯铜作为研究对象，对获取高质量FSW接头的工艺参数进行了系统研究。研究表明，要获得与母材等强度的FSW接头，需要采用较低的转速，同时FSW过程中需要外加强制冷却，而流动冷却水比静止冷却水更为有效，为避免缺陷产生，程序控制轴肩压下量需要采用较大值。采用外加流动水强制冷却时，FSW硬态纯铜接头的力学性能明显提高，低硬度区宽度变窄，且最低硬度值明显提高。外加流动水强制冷却时，相同焊接参数下焊核区及热影响区的峰值温度和高温区停留时间都明显降低。在400-water参数下，接头热影响区峰值温度仅为130 oC左右，100 oC以上仅停留4 s，几乎不会造成接头热影响区软化，接头热影响区仍然保持母材原始的高位错密度，因此得到了等强度的FSW接头。 选择小尺寸的轴肩，采用流动水强制冷却的工艺对纯铜单板进行FSW，研究焊核区，即搅拌摩擦加工(FSP)纯铜加工区超细晶组织的力学行为。FSP纯铜加工区各区域的微观组织基本相同，硬度分布均匀，可认为是均质的材料。FSP超细晶纯铜晶粒均呈现出等轴的再结晶状态，且位错密度较低，大多数晶界比较明锐、平直，在超细的晶粒内部有许多贯穿整个晶粒的退火孪晶界存在。FSP超细晶纯铜晶界取向差分布接近立方结构的随机分布，高角晶界比例较高，在80%-90%之间，且FSP超细晶纯铜的织构也非常弱。FSP超细晶纯铜的硬度和晶粒尺寸之间符合Hall-Petch关系，仅略高于粗晶纯铜的Hall-Petch关系边界线，这与FSP超细晶纯铜弱的织构和低的位错密度有关。相对于粗晶纯铜，FSP超细晶纯铜的强度，尤其是屈服强度有了明显的提高，且具有较高的拉伸塑性，达到了良好的强韧性匹配。通过增加铝含量降低层错能，在超细晶中引入大量的孪晶界、层错及纳米孪晶片层结构，可进一步提高FSP超细晶铜铝合金的强韧性匹配。 选取不同厚度的纯铜、纯铝板材，采用对接和搭接两种焊接方式研究了影响FSW异种金属接头成形性及力学性能的关键因素，并对高质量FSW接头的微观组织和力学性能做了深入研究。对于5 mm厚纯铜-纯铝板的FSW对接焊，当纯铜板位于前进侧、搅拌针偏置量不小于2 mm时，可以得到无缺陷的接头。在此条件下，采用较低热输入参数时可获得良好的力学性能。调控FSW参数，避免缺陷产生，同时使Cu-Al界面生成一个均匀连续的金属间化合物(IMC)薄层是获得高质量FSW铜-铝异种金属接头的关键因素。最优参数下FSW接头力学性能优异，拉伸强度系数大于90%，接头可弯曲至180o不发生断裂。在低热输入参数600 rpm-50 mm/min下，采用直径8 mm的大尺寸搅拌针成功实现了FSW纯铜、纯铝的搭接焊。大的搭接面积以及Cu-Al界面上均匀连续的IMC薄层的生成使接头达到了良好的冶金结合，拉伸剪切测试时接头断裂在铝侧热影响区，最大载荷可达2680 N，超过纯铝母材的80%。3 mm厚纯铜-纯铝薄板FSW对焊的研究结果也证实，Cu-Al界面处生成一个均匀连续的IMC薄层是取得良好力学性能的关键。 选取优化工艺参数下的FSW铜-铝接头，研究了退火过程中接头界面微观组织演化对力学性能的影响规律。接头初始界面存在一厚度约1 µm的薄层，此薄层可细分为不连续的α-Al固溶体层和两层连续的IMC层。靠近铝侧的IMC层为Al2Cu层，呈现出柱状晶组织；靠近铜侧的IMC层呈现出近似等轴状组织，主要由Al4Cu9和少量的AlCu组成。退火后，FSW铜-铝接头界面层不断增厚，界面上可观察到明显的三层结构，初始的α-Al固溶体层消失，在Al2Cu层与Al4Cu9层之间新形成了一个AlCu层。FSW铜-铝接头力学性能明显受界面IMC层厚度影响，当IMC层厚度大于2.5 µm时，接头开始在界面处断裂。此时，IMC层厚度较小时，接头断口呈现出沿晶断裂模式，裂纹主要在Al2Cu和AlCu层之间扩展；IMC层厚度很大时，接头断口呈现出穿晶断裂模式，裂纹在整个IMC层都可以快速扩展。" |
| 公开日期 | 2013-04-12 |
| 源URL | [http://210.72.142.130/handle/321006/64472]  |
| 专题 | 金属研究所_中国科学院金属研究所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 薛鹏. 纯铜及铜-铝搅拌摩擦焊接头组织与性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012. |
入库方式： OAI收割
来源：金属研究所
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