38【开题报告】厚板铜钢搅拌摩擦焊工艺及应用设计

38【开题 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 】厚板铜钢搅拌摩擦焊工艺及应用设计 1 选题依据及意义 焊接作为一种实现材料永久性连接的方法，具有悠久的历史，被广泛地应用于机械制造、石油化工、桥梁、船舶、建筑、航空、航天等各个工业部门。利用焊接加工的钢材已经占到总钢材产量的相当比例，大量的铝、铜、钛等有色金属，也采用焊接进行加工，焊接已成为现代机械制造工业中不可缺少的加工方法之一。现在各个工行业越来越趋向 “绿色加工”——即人们在追求材料利用效率的同时，既节约资源，又可以高经济效益。而异种材料的连接作为焊接的一个重要应用向方，引起了广大学者们的溶厚兴趣。 从检索的 资料 新概念英语资料下载李居明饿命改运学pdf成本会计期末资料社会工作导论资料工程结算所需资料清单 中可以发现，铜,钢焊接的方法中主要有熔焊、压焊、钎焊和熔焊—钎焊1等。但熔焊、压焊、钎焊等常规焊接方法，工艺复杂，接头易产生缺陷、并且性能不高。而固态连接在很大程度上可以避免常规的焊接缺陷，因此固态连接已成为异种材料连接研究者的首选。固态焊接方法主要有:真空扩散焊、超声波焊、连续驱动和惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊等。真空扩散焊方法对物理性能或冶金性能相差悬殊的异种材料的连接更为有效2，3。采用真空扩散焊虽然可获得优质的接头，但其设备昂贵，工艺 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 严格，而且效率不高。超声波焊主要应用于薄板的连接，这无疑会限制它的应用。连续驱动和惯性摩擦焊的可焊性较高，接头的室温拉伸强度可以达到母材铜的85以上4。 搅拌摩擦焊Friction Stir Welding，简称FSW作为一种新型的固态焊接技术，可以焊接许多传统熔焊难以焊接的金属，适合材料精密的连接，特别是异种材料的连接。用搅拌摩擦焊连接的铜/钢材料焊缝呈现细晶锻态组织，其机械性能好，接头的抗拉强度高。接头既有钢的机械性能，又具有铜的减磨性能。完全可以尝试制作铜钢复合管材、轴承5等零件，应用于替代铜管或某些材质的管材，各类、各型机械设备上的滑动件和全铜构件，以便节省铜的用量、降低造价，这对于产品的生存竞争力很重要。为此课题将对厚板铜,钢搅拌摩擦焊的工艺进行研究，并发掘他的潜在工业产品应用设计，为工业产品的生产提供理论依据。2 国内外研究现状2.1 铜/钢焊接 纯铜属于有色重金属，由于具有玫瑰红色，表面形成氧化膜后呈紫色，故称紫铜。铜是电和热的优良导体，因此被广泛作为电工导体，塑性变形能力高，并可承受各种形式的冷热压力加工。钢具良好的强度、韧性、硬度和耐磨性等性能和廉价的特点，广泛应用于国民生产的各个行业。 在铜,钢焊接中，一方面铜与铁的熔点、导热系数、线膨胀系数和力学性能等都有很大的差异6，表1列出了部分铁,铜物理性能对比数值。因此在焊接时主要存在以下三个问题:焊缝易产生热裂纹、热影响区产生铜的渗透裂纹、焊接接头力学性能下降等7;另一方面，铜与钢的原子半径、晶格类型、晶格常数及原子外层电子数目等都比较接近，且铜与铁属于在液态时无限互溶，在固态下虽为有限固溶，但并不形成脆性金属间化合物，而是以αε的双相组织形式存在，而这是二者实现焊接的基本依据。因此，只要克服上述铜与铁在物理性能上存在的差异，获得可靠的焊接接头是可行的。 表, 铁/铜部分物理性能对比表 电导率 电阻率 弹性模量 E 导热系数 相对原 (25?) 密度 熔点 (25?) 10—3N(? W(m—1 子质量 —2 107(—1 g(?—3 ? 10—8( m (K—1 (m—1 80(425 Fe 55(85 9(80 207,215 1(02 7(86 1538 ? 398(02 Cu 63(55 1(70 110,125 5(88 8(92 1084(5 7?2.2 异种材料的搅拌摩擦焊 自搅拌摩擦焊由英国焊接研究所1991年发明以来，她发展速度很快，被焊接工作者誉为焊接史上的“第二次革命”。搅拌摩擦焊与传统摩擦焊一样也是利用机械力和摩擦热作为热源实现焊接的(图1表示了搅拌摩擦焊的工作原理图)。不同的是，搅拌摩擦焊过程中，由一个柱形带 特殊轴肩(Shoulder)和搅拌针Probe的搅拌头高速旋转着缓慢插入待焊工件的接缝处，搅拌头轴肩与工件表层摩擦生热，使搅拌头邻近区域的材料软化，但此 图 1 搅拌摩擦焊工作原理图 (图片来原于 TWI)温度一般不会达到被焊材料的熔点。当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿端(Leading edge of the rotatingtool)向后沿端Trailing edge of the rotating tool转移，并且在摩擦热和轴向压力的共同作用下，形成紧密连接的接头。在整个的焊接过程中焊缝金属经历了挤压、摩擦生热、塑性变形、转移、扩散以及再结晶等过程。在焊接过程中，将轴肩旋转的切线方向和焊接方向相同的边称为前进边(Advancing side of weld)，另一侧称为返回边(Retreating side of weld)。 与传统的摩擦焊及其他焊接方法相比，搅拌摩擦焊有以下优缺点:生产成本低、接头质量高、安全环保、适应性广、焊后残余应力和变形小，工装夹具要求严格、搅拌针材料要求高等8。近几年科研工作者，先后对铝合金(如防锈铝5×××、锻铝6×××、硬铝2×××、超硬铝7×××等)、紫铜、塑料PTFE等材料开展了搅拌摩擦焊研究;还积极开展钛合金、镁合金和黑色金属的搅拌摩擦焊工艺研究;同时也对搅拌摩擦焊的机理、微观组织、力学性能和搅拌摩擦焊的核心技术——搅拌头等都展开了深入的研究，并取得了一定的工程应用。图2是2009年北京赛福斯特技术有限公司出口澳大利亚及西班牙的搅拌头。 图 2 北京赛福斯特技术有限公司出口澳大利亚及西班牙的搅拌头2.2.1 异种铝合金的搅拌摩擦焊 赵旭东等人9对LY12和LF21铝合金进行了搅拌摩擦焊塑性流场的实验研究。结果显示，一方面靠近焊缝顶部金属的流动主要受轴肩的旋转摩擦控制，而靠近焊缝底部金属的流动则主要由搅拌针上螺纹的旋转搅拌控制，这就会产生不同的流动状况;另一方面在焊缝前进边靠近搅拌针的区域，材料随搅拌针一起从前进边流向返回边，而在离搅拌针较远的区域，材料会向后流动;但在焊缝返回边，材料均向后流动，只有少量材料窜流到前进边。常学斌等人10采用搅拌摩擦焊方法对4mm厚的5083铝合金与6082铝合金进行了焊接，并对接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果表明，焊核区由细小的等轴再结晶组织构成;6082铝合金在前进边的抗拉强度大于5083铝合金在前进边的抗拉强度;正弯试验与背弯试验角度都可达到180?。李敬勇等人11采用搅拌摩擦焊成功的连接了铸态A356Al/6.5TiB 2 颗粒增强铝基复合材料，而该种方法与其他的焊接方法相比具有明显的优势。 A Scialpi等人12用搅拌摩擦焊研究了超薄板(FSW for ultra—thin sheets)0(8mm厚的异种铝合金6082—T6和2024—T3。用光学显微镜观察接头的微观组织，在焊接区出现了小于3m的新等轴细晶组织;接头具有优异的机械性能;拉伸实验显示，断裂出现在焊接区，而焊接区并不存在缺陷;与用传统的焊接技术形成的接头相比，该接头疲劳性能更优越;接头的希维勒有限散射曲线和疲劳曲线在40,75MPa，并且接头的残余应力下降。文献13成功地实现了通过积累复合轧制accumulative rollbonding的超细晶粒板商业纯铝及铝合金AA1050及AA6016的搅拌摩擦焊。从常规晶粒尺寸20m到30m的铝板和超细晶粒尺寸200nm的铝板，搅拌摩擦焊都可实现焊接。并且在焊后焊核区的晶粒依然可以保持细晶状。超细晶粒材料焊核区出现软化，与传统晶粒铝板母材的显微硬度相比有所下降。文献14研究了AA6082,AA2024异种铝合金的搅拌摩擦焊， 焊 当搅拌头的旋转速度1600rpm不变时， 接速度在80,115mm/min范围内变化，高强度的AA2024铝合金作为前进边，搅拌头的轴向压力比中等强度的AA6082作为前进边时的轴向压力大。当AA6082作为前进边，焊接速度为115mm/min时，接头的拉伸 和疲劳性能最佳。而AA2024作为前进边时，焊接速度的变化不会明显的影响接头的疲劳性能。在250?下退火1h后，接头的疲劳性能得到改善。事实上，当AA2024作为前进边时，通过光学显微镜和扫描电镜发现，接头的断裂是由于接头中存在锻造缺陷造成的。2.2.2 铝合金和镁合金的搅拌摩擦焊 Somasekharan等人〔15〕将AZ31B—H24镁合金与6061—T6铝合金进行搅拌摩擦焊实验。实验发现焊缝区和过渡区均出现了动态再结晶细晶组织;焊缝区未出现孔洞等焊接缺陷;焊缝区形态多样，但分界线明显，属于典型的搅拌摩擦焊组织形貌;显微硬度试验表明，在焊缝和过渡区，硬度明显上升，这可能是在此处生成了脆性相化合物。A Kostka等人16用扫描电镜和透射电镜观察AA6064和AZ31的搅拌摩擦焊接合面的微观组织，接合面出现金属间化合物反应层，而且金属间化合物层的厚度大概是1m，金属间化合物层主要是由细晶相Al 12 Mg 17 组成。另外纳米级晶粒的Al 3 Mg 2 包裹在靠近Al 12 Mg 17 层里，并出现在铝合金中。纳米级晶粒相的形成是一个复杂的过程。Yu Taka等人17采用搅拌摩擦焊对6mm的AA1050铝合金与AZ31镁合金异种金属进行了焊接研究。试验结果表明，在焊缝中心部位产生了金属间化合物Mg 17 Al 12 ，该金属间化合物是导致焊缝的显微硬度值比母材高的主要原因，焊缝区的硬度分布为200,225HV;焊缝区的显微组织特征与两侧母材不同，并且在焊缝的不规则区域包含有一个凝固的共晶反应组织区，即:L?Mg 17 Al 12 Mg。 谷建军等人18针对异种材料AZ31B镁合金与LY12 铝合金进行了搅拌摩擦焊技术研究。结果表明，当选定恰当的焊接工艺参数时，AZ31B/LY12 搅拌摩擦焊接是可行的，能得到外观形貌基本良好的接头。同时镁铝合金的片层结构由于材料的彼此挤压而相互挤入，发生了明显的变形，从而导致焊接接头的力学性能较母材有所降低。王希靖等人19对异种变形镁合金AZ31B与AZ61A进行搅拌摩擦焊对接实验，结果显示采用圆台内凹搅拌头、将AZ31B置于前进侧进行焊接，得到了成形良好、无焊接缺陷的对接接头。合适的焊接工艺参数范围窄，接头的力学性能对搅拌头的旋转速度和焊接速度非常敏感，当焊接速度v30mm/min，搅拌头转速w1000r/min时，接头的抗拉强度最高可达母材AZ31B标称强度的 90.5。前进侧热力影响区较宽，组织呈不均匀层状分布。当工艺参数不恰当时，前进侧热力影响区层状组织间存在氧化物和夹杂物富集，使得该区域显微硬度明显提高，该氧化物和夹杂物富集层及严重的应力集中的存在是造成接头在前进侧热力影响区力学性能下降、发生断裂的最主要原因。2.2.3 铝和钛的搅拌摩擦焊 Y C Chen等人20对ADC12铝合金相当于国产的ZL102和商业用途的纯Ti进行了搅拌摩擦焊研究。实验中采用用搭接接头，并测试接头的显微结构和拉伸性能。发现所有的接头失效载荷均低于母材的失效载荷，最大的失效载荷为9(39KN，出现在焊接速度为90mm/min，搭接接头的最大失效载荷可以达到ADC12铝合金母材的62，并且在接合面处断裂。X—射线衍射(XRD)结果表明，在接头的接合面处形成了新相TiAl 3 ，而新相TiAl 3 对于接头具有要重要的作用。Kim等人21发表了决定搅拌摩擦焊Al和Ti接头重要特性(强度，延展性等)的因素。他们发现支配接头特性主要是由接合面处生成的金属间化合物层的厚度。金属间化合物层的临界厚度大概是5μm。2.2.4 铝和铜的搅拌摩擦焊 刘会杰22等人研究了铝—铜搅拌摩擦焊，发现接头由于缺陷和硬脆金属间化合物的存在，导致强度、断后伸长率均与母材有较大差距。同时，金属间化合物的存在也加大了接头硬度分布的波动，但接头硬度的最低值仍然出现在热影响区中。接头由焊核区、热机影响区、热影响 区以及母材区所组成。由于两种材料流动特性的差异，焊核两侧呈现不同的结构。焊核中存在Al 2 Cu、AlCu、Al 4 Cu 9 ，等多种金属间化合物，其分布形态、尺寸和数量对接头性能有较大影响。Jiahu Ouyang等人 23 对同等厚(12.7mm)的 6061—T6 铝合金和铜进行了搅拌摩擦焊研究。6061—T6 铝合金和铜的机械混合区主要是由几种金属间化合物，CuAl 2 ，CuAl，和Cu 9 Al 4 ，少量的α—Al及面心立方的铜铝固溶体组成。分布在焊核底部的是含有铝固溶体的变形铜片层。通过机电一体化方式使铝溶入到铜中，在与铜毗邻的焊缝底部形成了混合的Cu 9 Al 4 层和铜固溶体。在明显不同的显微硬度 136—760HV水平之间，焊核区产生了相同和不同的微观组织。测试焊核区的温度发现， 6061—T6 铝合金边缘峰值温度可达到 580?， 在明显地比Al—Cu共晶和超共晶合金的熔点高，更高的峰值温度在接合面处可以被期望得到。在凝固期间焊核区形成了树突状的α—Al，CuAl 2 ，CuAl和α—Al/CuAl 2 共晶组织。金属间化合物Cu 9 Al 4 的形核、长大很可能是由于机械的搅拌，铝和铜在较高的温度下溶解和相互扩散造成的。文献24认为被焊材料反复进行动态再结晶是其持续塑性流动的前提条，影响金属塑性流动的因素主要是材料的变形速率和变形温度，焊接时被焊材料必须保持较高温度和较高变形速率。这两点对于保持材料发生充分的动态软化非常关键，这直接影响接头的性能。如果温度不足就会出现文献27中出现的情况，纯铝L2 的熔点大大低于T2 的熔点，因此L2 很容易达到完全软化的条件，此时L2 能充分了流动，但这个温度还达不到T2 熔化温度的 1/2，所以T2 仍处于加工硬化阶段，T2 被整体剪切成小颗粒，不能像L2 一样进行塑性流动，两者无法一同流动并混合，因此很难形成接头。南昌航空大学柯黎明等人25对 2mm的铝合金LF6 与纯铜T1 进行了搅拌摩擦焊实验，发现焊接工艺参数w/v的匹配是保证接头致密性和决定组织、性能的关键因素。当搅拌头旋转速度w1180r/min、焊接速度v30mm/min时，接头拉伸强度最高，v37.5,60mm/min范围内接头抗拉性能相差不大，与纯铜母材的抗拉强度相近，在恰当的焊接参数下，是可以获得良好的焊接接头。AAbdollah-Zadeh等人26探讨了 4mm1016 铝合金和 3mm纯铜搅拌摩擦焊。在恒定的焊接速度下增加旋转速度或在恒定的旋转速度下增加焊接速度有着同样的效果。提高旋转速度至 1500r/min或将焊接速度降低至 30 mm/min都会焊接的失效载荷降到近1000N，这是因为较高的旋转速度会增加铝/铜界面的金属间脆性化合物的数量?,诩 偷男 俣龋ɑ蚪细叩暮附铀俣龋?蓟岬贾陆油凡 毕荩ɡ 缭诤附铀俣?5mm/min旋转速度 750r/min时)。接头的失效载荷产要由两个影响因素:金属间脆性化合物的数量和焊接参数。增加搅拌头旋转速度(或增加焊接速度)，由于会提高焊接热输入从而增加铝/铜金属间化合脆性化合物的数量，进而隆低接头强度。另外增加铝/铜金属间化合脆性化合物数量增加的原因是较高的旋转速度会使界面的温度升高，又由于金属间化合脆性化合物非常的活跃，随着热输入的提高，晶粒的成核速度以及生长速度也随之提高。但是，极低的旋转速度(极高的焊接速度)使接头表面成型困难。在铝/铜界面处可以观察到一块由Al 4 Cu9 AlCu 和Al 2 Cu组成的黑色区域，这里是裂纹发生及扩展的根源。2.2.5 铝与塑料的搅拌摩擦焊 南昌航空大学李建萍等人 27 对3mm、10mmm的聚四氯乙烯(Polytetrafluoroethylene 简称PTFE)和3mmLC4铝合金进行搅拌摩擦焊实验。实验参数的选择对接头的形成具有很大的影响，3mm的PTFE板与LC4的连接，在搅拌头参数:材料GH69、轴肩直径20mm、搅拌针直径3.0mm、搅拌针长度2.9mm下， 由于PTFE板很软，较高的旋转速度会产生较大的热量使PTFE板翘起，因此当旋转速度为950r/min、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾斜角度为2?时焊接效果较好;10mmPTFE板与3mm的LC4铝合金的连接，所选的试样组均有粘合现象，在旋转速度为600r/min、焊接速度为23.5mm/min、搅拌头倾斜角度为3?的情况下粘合效果较好;金相分析表明，搅拌摩擦焊接区与母材基本相同。2.2.6 铝与钢的搅拌摩擦焊 A Elrefaey等人28用搅拌摩擦焊连接2mm厚商业纯铝Al100H24和1.2mm厚SPCC低碳钢板(SPCC冷轧钢板相当国产Q195—215A钢种)，低碳钢板作为底板，铝板在钢板的盖板的搭接接头(图3表示搭接的示意图)。研究了不同实验参数，旋转速度和焊接速度，对接头强度的影响。接头的强度强烈取决于搅拌针尖端深入相对于低碳钢板的深度，当搅拌针的深入量没有到达低碳钢的表面时，接头在低载荷时就会失效。与此同时，搅拌针的尖端稍微(0.1nm) 图 3 铝板和钢板搅拌摩擦焊的示意图接触到低碳钢的表面，接头强度会明显增加。在旋转速度25.0—41.7S—1之间形成的接头强度，要高于在旋转速度为16.7S—1形成的接头强度。基于光学显微镜和扫描电镜对接头金相观察，发现接头铝的边缘出现了等轴、细晶形态晶粒，热影响区的晶粒由于重结晶，呈现出优异的性能。与此同时，低碳钢仅在旋转的搅拌针作用下，在非常接近焊接接合面区域，出现了非常细小分层结构的晶粒。而这些分层结构在较高旋转速度下，接头通常发生断裂，断裂可能是由于金属间化合物的形成，例如Al 5 Fe 2 和Al 13 Fe 4 。试验结果说明，铝和钢搅拌摩擦焊，通过控制搅拌针的深入量，避免形成富含金属间化合物的分层结构，获得高质量的接头是可行的。Kimapong29用搅拌摩擦焊焊接了2mm厚的AA5083铝合金和SS400低碳钢对接接头。在偏移量为0(2mm，搅拌头旋转转速为250r/min，焊接速度为25mm/min时，获得了性能良好的焊缝，其抗拉强度为240Mpa，约为AA5083铝合金母材的86,。南昌航空大学柯黎明25 用搅拌摩擦焊焊接了LF6铝合金和Q235低碳钢板的搭接接头和对接接头。发现在铝合金与钢搅拌摩擦焊对接接头中新生成了金属间化合物，其成分是Fe 3 Al，该化合物具有较高的硬度和脆性，对焊缝性能有不利的影响，但采用合适的工艺参数还是可以性能优异的接头。2.2.7 铜/钢的搅拌摩擦焊 南昌航空大学黄春平等人30成功实现了10 mm厚的紫铜板与低碳钢板的搅拌摩擦焊得到了内部无缺陷、外观成形良好、无变形的接头接头抗拉强度达233MPa为铜母材强度的95断裂位置在铜侧热影响区(焊缝区抗拉强度达296MPa远超过紫铜母材的强度。文章分析认为搅拌针偏移量对焊核“洋葱环”形貌有很大影响，其中偏移量为0.8mm时铜与钢混合充分。南昌航空大学邢丽等人31用搅拌摩擦焊焊接了4mm厚的Q235低碳钢板和T2紫铜板，搅拌头材料为高温合金，轴肩直径为18mm，搅拌针直径为6mm，试验参数为:焊接速度为75mm/min，搅拌头旋转速度为750r/min，钢位于焊 缝的前进边，探针偏移量为0.8mm ，即探针边缘与钢铜焊接接缝的距离为0.8mm。试验结果得到了内部无缺陷、外观成形良好、无变形的对接接头。综合上文所述，国内外对异种合金搅拌摩擦焊做了大量的研究，但是有关铜/钢搅拌摩擦焊的报道还是很少。2.3 铜/钢复合板的应用 铜/钢复合材料既具有铜的耐蚀、导电、导热等优良性能，又具有钢的良好力学性能，它可以代替铜用于多种领域，节省大量的铜资源，主要应用在特殊的结构中，其研究也越来越受到重视，如纯铜与Q235的焊接在酒钢高炉检修中的应用32;天津市暖风机厂李善龄等人解决了换热器钢与铜异种材料的焊接工艺问题，该工艺生产的产品经受住了生产运行的考验，焊接接头没有出现渗透; 啤酒生产用的糊化锅以及电渣熔铸冷凝器等均出现紫铜与不锈钢的焊接，这样可节约铜材和降低产品成本;2009年12月份浙江兆隆合金股份有限公司巨资引进国外先进技术及设备，生产的铜钢复合带填补了国内该领域的空白，可见铜/钢复合板具有很大的市场应用价值。2.4 研究内容 主要针对不同焊接参数，厚板(10mm)T2 紫铜/ Q235 低碳钢搅拌摩擦焊实验。分析各工艺参数对接头焊缝表面成形、横截面形貌、焊缝组织结构，并分析对接接头的力学性能。探索薄板铜/钢的搅拌摩擦搭接叠焊，制备不同厚度铜钢复合板(厚度为 7-13mm 不等)的可行性。试验改变的焊接工艺参数有接头的形式(对接和锁底焊)、不同的铜与钢的放置位置、搅拌头螺纹的旋向、搅拌针偏移量?x、搅拌针深入量?y等。3 实验材料和方法3.1 实验材料 实验所选的材料有 5mm、10mm、12mm 厚的 Q235A 低碳钢板和 2mm、3mm、6mm、10mm、12mm 厚的 T2 紫铜，其化学成分和力学性能表 2。焊接采用对接、锁底焊和搭接，接头示意图如图 5。锁底焊时将待焊钢板在铣床上铣出一个 15mm×10mm 的 L 形槽，开好槽后去毛刺，并用丙酮擦洗以去除油污。 表 2 Q235A 与 T2 紫铜的化学成分及力学性能(质量分数，).