铝-铜电磁脉冲焊接技术及其连接机制研究

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铝-铜两种有色金属都具有良好的导电性,导热性,耐腐蚀性和可加工性。铝-铜复合金属构件能发挥两种材料各自的性能而具有巨大的开发潜力,而其焊接技术、焊接质量等问题需要进一步研究。目前压力焊、钎焊和熔化焊等传统的焊接方法是连接异种金属的主要手段,但都会产生很多问题,导致接头残余应力大,焊接质量差。电磁脉冲作为一种新型的固相连接技术,具有效率高,接头质量好等优点。采用电磁脉冲焊接工艺连接铝/铜异种金属可以获得高质量的焊接接头。电磁脉冲焊接是一种类似于爆炸焊的固相连接工艺。在不熔化母材的情况下,通过强烈的碰撞使母材之间形成金属键从而结合在一起,不像熔化焊,焊接接头处不会形成热影响区。电磁脉冲焊接过程不需要填充金属,也不需要添加保护气体,同时焊接接头处的金属间化合物将减少,所以电磁脉冲焊接技术对于焊接异种金属具有较好的优势。本文以1060工业纯铝和纯铜为研究对象,采用电磁脉冲焊接将待焊板件连接到一起。对焊接的工艺参数,接头的显微形貌、晶粒取向、晶格类型、微区成分、显微硬度、拉伸性能进行了研究,简述了电磁脉冲焊接机制。具有一定的理论和实际意义。介绍了电磁脉冲焊接的基本原理和特点。对铝-铜电磁脉冲焊接参数进行了初步的探索,发现放电能量和板件之间的距离对焊接接头质量影响比较大。本文的待焊板件之间的距离都保持1mm,改变放电能量,结果显示当放电能量为15kJ时,搭接的最大连接长度是14mm,焊接接头质量最好。接头处存在焊合区和未焊合区。通过SEM观察了接头的显微形貌,发现形成了波形界面,并解释了其形成原因,是由于应力波引起的亥尔姆霍尔兹流体失稳,导致界面呈现周期性的不规则波浪变化。焊接接头铝侧存在<100>与<110>的择优取向,铜侧存在<100>的择优取向,塑性变形是导致产生择优取向的原因。在Al-Cu合金中会发生Cu元素的富集而形成G.P区;在平衡条件下4%Cu含量中Al2Cu析出,在548.2℃时发生共晶转变,此时Cu在α-Al中的最大固溶度约为5.65%,并且随着温度的降低溶解度不断下降,在室温时溶解度低至0.1%。Al2Cu的生成主要依靠脱溶贯序。EDS点扫描结果显示在连接处元素Al的含量百分百为61.6%,Cu的含量为38.4%,电磁脉冲焊接瞬间发生局部熔化,碰撞瞬间原子键重组,结合铝-铜二元相图得出焊接接头形成了新的金属键化合物Al2Cu。从硬度结果可以看出,母材Al的平均硬度为31.4Hv,母材Cu的平均硬度为102.6Hv。当放电能量为17kJ时,界面处硬度最高为118.2Hv。接头的硬度要高于母材。焊接接头的抗拉强度为71MPa,伸长率为4%。拉伸试样断裂在母材铝上,焊接接头质量比较好。铝发生了塑性变形,在断口表面可以看到很多滑移带。采用机械的方法拉断焊接接头,接头存在沿晶断裂现象,即焊缝处有一定的脆性。铝层和铜层有很明显的剥离现象形成焊接接头的三个条件为:a.焊接时必须要有持续的金属射流形成;b.形成波纹状界面或强度足够的平直型界面;c.结合界面不能出现过熔现象。形成铝-铜电磁脉冲焊接接头的最小碰撞速度为90.12m/s,最小碰撞速度还会随着碰撞角度的增大而增大。当碰撞角为300时,最小碰撞速度为534.72m/s。此外形成波形界面的最小碰撞速度为71m/s。根据tp=t0exp(E/RT),计算出tp≈10-7s。通过公式tb≥tc≥tp,得出电磁脉冲焊接符合形成物理接触、化学相互作用和金属材料通过结合面向周围扩散的压力焊的三个阶段,所以电磁脉冲焊接是一种特殊的压力焊。
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