铝合金/不锈钢TIG熔—钎焊界面控制研究

论文摘要

铝合金与不锈钢的焊接结构具有质轻、高强、耐腐蚀等方面的综合优势,在航空航天、交通运输、国防等部门有着越来越重要的应用。然而两者之间固溶度低,热物理性能差异大,且极易反应生成脆性的金属间化合物,这已成为焊接领域的难点问题。近年来,电弧熔-钎焊方法以其便捷、高效化的焊接性成为铝/钢异种材料连接中的热门研究方向。促进液态钎料在钢表面的润湿铺展,并且控制界面脆性金属间化合物的生长,是获得优质铝/钢接头的关键问题。本课题在前期预涂层开发和工艺实验的基础上,研究了合金元素对界面层结构和力学性能的影响,分析了其控制界面化合物层生长的作用机理,提高铝/钢异种金属连接接头的综合性能。结合焊接温度场进行界面层生长行为的研究,揭示了TIG熔-钎焊界面层的生长机制。首先研究了不同含量Cu元素对界面结构的影响,揭示了其控制界面层生长的作用机理,并且深入分析了Cu元素含量为6wt%时接头的微观结构特征和力学性能。在采用Al-Cu6钎料时,界面层呈须状生长,厚度在2-5μm之间,由θ-Al13（Fe,Cu）4相组成,界面层具有较高的抗裂性,接头的抗拉强度在150-170MPa之间。Cu元素是通过置换固溶于θ-Al13（Fe,Cu）4相中抑制其择优取向来控制化合物层生长的,Cu含量在6wt%左右时,接头具有最佳的力学性能。在Al-Cu6钎料中分别添加了La、Zr、Ag三种微量元素,分析了三种微量元素对接头组织和力学性能的影响。分析发现La元素的加入对界面层组织的影响很小;Zr元素对界面层和焊缝都有明显的细化作用;Ag元素的加入使接头在焊缝中出现了微小的裂纹。结果显示: Al-Cu-La钎料下力学性能与Al-Cu6相当,Al-Cu-Zr钎料下接头的力学性能提高,Al-Cu-Ag钎料下接头的力学性能下降。最后运用MARC有限元软件实现了对异种材料TIG熔-钎焊界面温度场的数值模拟,在此基础上进一步对界面层的生长机制进行研究。温度场模拟结果显示,固-液界面温度分布不均匀,坡口顶部位置与底部位置温度相差近300℃,加热时间差2.5s,界面峰值温度在700-1200℃之间,加热时间不超过10s。结合不同热输入条件下的界面结构,发现界面峰值温度在1000℃左右时,界面层厚度均匀,接头力学性能较好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的与意义
• 1.2 国内外研究现状和分析
• 1.2.1 铝/钢异种金属焊接性分析
• 1.2.2 异种金属熔-钎焊方法概述
• 1.2.3 合金元素在控制界面生长行为方面的研究
• 1.2.4 焊接温度场的研究现状
• 1.3 本文研究主要内容
• 第2章 实验材料、设备及方法
• 2.1 实验材料
• 2.1.1 实验母材
• 2.1.2 填充材料
• 2.1.3 预涂层成分
• 2.2 实验设备及装置
• 2.3 实验研究方法
• 2.3.1 实验准备及焊接过程
• 2.3.2 焊接温度场的模拟及热循环的测量
• 2.4 实验分析测试方法
• 2.4.1 微观组织分析
• 2.4.2 力学性能测试
• 第3章 Al-Cu 钎料下铝/钢TIG 熔-钎焊接头特征
• 3.1 接头宏观形貌
• 3.2 焊接接头的微观组织分析
• 3.2.1 熔焊接头的微观组织
• 3.2.2 钎焊接头界面层组织形态
• 3.2.3 界面层的成分分析
• 3.3 在Al-Cu 钎料下界面层的生长机制讨论
• 3.3.1 不同含量Cu 元素下界面层的形态
• 3.3.2 Cu 元素控制化合物层生长的作用机理
• 3.4 接头力学性能
• 3.4.1 接头的抗拉强度
• 3.4.2 接头的显微硬度
• 3.4.3 接头的断裂行为
• 3.5 本章小结
• 第4章 钎料中微量元素对接头组织和性能的影响
• 4.1 La 元素在改善接头组织和性能的作用
• 4.1.1 接头的宏观形貌
• 4.1.2 La 元素在控制界面层生长中的作用
• 4.1.3 La 元素的加入对熔合区组织的影响
• 4.1.4 La 元素的加入对接头性能的影响
• 4.2 Zr 元素在改善接头组织和性能的作用
• 4.2.1 接头的宏观形貌
• 4.2.2 Zr 元素在控制界面层生长中的作用
• 4.2.3 Zr 元素的加入对熔合区组织的影响
• 4.2.4 Zr 元素的加入对接头性能的影响
• 4.3 Ag 元素在改善接头组织和性能的作用
• 4.3.1 接头的宏观形貌
• 4.3.2 Ag 元素在控制界面层生长中的作用
• 4.3.3 Ag 元素的加入对熔合区组织的影响
• 4.3.4 Ag 元素的加入对接头性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 铝/钢TIG 熔-钎焊界面层生长机制研究
• 5.1 TIG 熔-钎焊温度场研究
• 5.1.1 温度场模型的建立
• 5.1.2 热源模型的建立
• 5.1.3 网络划分
• 5.1.4 边界条件及初始条件的确定
• 5.1.5 材料物理参数的确定
• 5.1.6 温度场模拟结果的验证
• 5.1.7 温度场模拟结果分析
• 5.2 TIG 电弧条件下界面生长的理论描述
• 5.2.1 界面层生长的最佳能量控制
• 5.2.2 界面层生长的理论描述
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果
• 致谢