薄壁铜铝管连接界面显微组织及力学性能研究

论文摘要

中国海洋大学与青岛海青机械厂共同研发的薄壁铜铝管插接式电阻压力焊焊接工艺,采用多种创新技术,有效地解决了薄壁铜铝管焊接过程中出现的接头脆性、密封性差等问题,获得了较为广泛的应用。本文依托此技术,研究了薄壁铜铝管插接式电阻压力焊焊接接头界面组织的显微结构以及力学性能。用光学显微镜和扫描电子显微镜对焊接界面组织进行了观察和分析,着重从微观上研究铜铝焊接接头的各种显微组织的形貌、成分特点,并结合铜铝二元相图、金属结晶学理论以及焊接工艺学方面的知识分析焊接接头界面各种显微组织生成的原理。利用万能拉力试验设备,测试不同直径和壁厚的铜铝焊接管的剥离强度和拉伸强度,分析界面微观结构对宏观力学性能的影响,探索薄壁铜铝管焊接的相关标准。研究结果如下：1、薄壁铜铝管的连接界面处,铜与铝进行了原子的互扩散,且铜原子向铝侧扩散比铝原子向铜侧扩散明显。焊接界面层宽度约为1-10μm,由层片状共晶、柱状晶和胞状晶等组织生成,较宽的焊接界面处有气孔、扩散孔洞等缺陷存在。界面处铝铜原子平均比例为3比2,推测生成了（α+θ）两相交替生长的片状共晶组织以及CuAl2、CuAl金属间化合物。2、界面处形成的层状组织、柱状组织和胞状组织与温度梯度、成分过冷、焊接工艺参数以及焊缝的不平衡结晶有关。在正温度梯度下,界面成平面状生长,容易产生层状组织。正温度梯度下存在较小的成分过冷时,界面平面易被打破生成胞状组织。在负的温度梯度下,界面突起严重易生成树枝状组织（柱状组织）。随着电流提高或焊接时间的延长,焊缝的宽度增加,形成的相的数量越多,连接界面层数越多,焊接性越差。推测金属问化合物CuAl是由包晶反应及相变生成的,CuAl2是由包晶反应生成的,而共晶组织（α+θ）是由共晶反应生成的。3、提出电阻压力焊薄壁铜铝管界面的连接机理：在压力的作用下,铜和铝界面硬化层被撕裂,于是较软的铝被挤入较硬的铜的裂缝中去,形成铜铝的相互接触；在电阻热的条件下,表面原子被激活,形成激活中心而使新鲜质点间产生原子键或金属键结合；随后通过扩散或结晶生成各种显微组织,使点结合转变为面结合,并形成具有一定扩散深度的界面层。即由铜铝表面的物理接触阶段、接触表面的激活阶段和扩散阶段组成。4、对大量试样进行了力学性能测试,由剥离试验得出：相同直径的试样的剥离强度范围基本上符合正态分布；随着壁厚的增加,剥离强度总体上有增大的趋势；结合壁厚统计分析大量数据得出剥离强度的合格标准为：σ=38.34（?）-12.561；剥离强度与剩余未剥离宽度和铝管直径成正比；从试样断裂后宏观形貌上分析铜铝试样剥离断裂属于韧性断裂。由拉伸试验得出：拉伸试样都是在铝上断裂,焊缝的拉伸强度要高于母材铝管的拉伸强度；焊接之后的铝管的拉伸强度并没有降低,基本符合母材1060铝和3003铝的抗拉强度范围,薄壁铜铝管电阻压力焊焊接性很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 铜铝焊接特点
• 1.2.1 铜与铝的焊接主要存在的问题
• 1.2.2 薄壁铜铝管的焊接特点
• 1.3 铜铝连接工艺及界面组织的研究进展
• 1.3.1 铜铝熔焊焊接界面组织
• 1.3.2 铜铝压焊焊接界面组织
• 1.3.3 钎焊界面组织
• 1.3.4 铜铝塑性成形界面组织
• 1.3.5 铜铝机械连接界面及模拟计算界面组织
• 1.4 插接式电阻压力焊简介
• 1.5 铜铝管的焊接性及其评定
• 1.5.1 铜铝管的焊接性
• 1.5.2 铜铝管连接的界面强度
• 1.6 本课题研究内容及目的
• 2 实验过程
• 2.1 实验材料及设备
• 2.2 焊接过程
• 2.2.1 焊接工艺参数
• 2.2.2 焊接工艺
• 2.3 试样制备
• 2.3.1 取样
• 2.3.2 镶嵌
• 2.3.3 机械磨光
• 2.3.4 化学抛光+机械化学抛光
• 2.3.5 化学浸蚀
• 2.4 力学性能实验
• 2.4.1 剥离试验
• 2.4.2 拉伸试验
• 3 薄壁铜铝管连接界面显微组织分析
• 3.1 金相显微镜结果分析
• 3.1.1 未浸蚀的焊缝处金相照片分析
• 3.1.2 浸蚀之后焊缝处金相照片分析
• 3.1.3 浸蚀之后母材的金相照片分析
• 3.2 扫描电镜结果分析
• 3.2.1 界面显微组织形貌分析
• 3.2.2 界面显微组织成分分析
• 3.3 本章小结
• 4 铜铝显微组织形成机理分析
• 4.1 结合结晶学理论分析
• 4.1.1 温度梯度的影响
• 4.1.2 成分过冷的影响
• 4.2 结合焊接工艺分析
• 4.3 结合铜铝二元相图分析
• 4.4 本章小结
• 5 铜铝界面连接机理及力学性能实验分析
• 5.1 铜铝界面连接机理
• 5.2 铜铝界面组织和结构对力学性能的影响
• 5.3 剥离试验数据及结果分析
• 5.4 拉伸试验数据及结果分析
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文