SiC_P/A356复合材料半固态搅拌钎焊工艺及机理研究

论文摘要

本文提出利用无钎剂非真空半固态机械搅拌辅助钎焊工艺实现SiC颗粒增强A356铝基复合材料的连接。该工艺利用机械搅拌半固态钎料的方法破碎和去除基体表面氧化膜，同时在破膜过程期间高粘度半固态钎料中的液相成分能够始终保持覆盖待焊表面，既为焊料与母材的扩散溶解提供了合适的浓度梯度，而且还在整个焊接过程中保护待焊表面不被二次氧化。焊接温度在母材的固相线以下，并且焊接过程中复合材料始终处于固态，能够完全避免SiC颗粒与Al基体发生界面反应生成Al4C3。在能够满足试验要求和设备模块式设计原则下，初步设计及制作半固态搅拌钎焊设备，并在试验过程中不断改进搅拌钎焊设备，使得SiC颗粒增强A356铝基复合材料的焊接工艺能够实现简单化、高效率和高重复性。初步设计及研制适合SiC_P/A356复合材料的半固态搅拌钎焊的钎料ZnAl27。利用半固态理论，研究了ZnAl27合金的微观组织、固相率与温度的变化规律。利用自制的半固态搅拌钎焊设备，研究了以ZnAl27为钎料，SiC_P/A356复合材料为母材，焊接温度、搅拌头转速、焊接速度为工艺参数对钎焊接头界面结构的影响规律，并通过利用界面结合率、焊缝致密度分别来衡量界面结合情况与焊缝中的孔洞率。在焊接温度455℃、搅拌头转速1570rpm、焊接速度15mm/min时其接头界面结合率为91.2%和焊缝致密度为94.5%，剪切强度达到78.5MPa。二次搅拌钎焊的界面结合率和接头剪切强度要高于一次搅拌钎焊的界面结合率和剪切强度，在二次搅拌钎焊焊接温度500℃时其接头剪切强度达到113MPa。采用定点搅拌破膜工艺试验研究基体表面氧化膜在半固态搅拌钎焊下的破碎行为，并在试验的基础上建立了半固态搅拌钎焊下的基体表面氧化膜破碎模型。在半固态搅拌钎焊下其氧化膜的破碎是以固相颗粒对复合材料表面氧化膜挤压和摩擦作用为主；在搅拌中期和搅拌后期，其氧化膜的破碎随着搅拌时间的累积进一步破碎，钎料与母材发生一定的扩散。对半固态搅拌钎焊存在的焊接缺陷进行了分析研究，其缺陷主要有：搅拌头污染焊缝成分；焊缝中的孔洞。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1. 绪论
• 1.1 课题背景及选题意义
• 1.2 SiC 颗粒增强铝基复合材料焊接研究现状
• 1.2.1 搅拌摩擦焊 （FSW）
• 1.2.2 固相扩散焊
• 1.2.3 瞬间液相扩散焊 （TLP）
• 1.2.4 钎焊
• 1.2.5 半固态焊接
• 1.3 课题的研究意义和主要研究内容
• 2. 试验材料和方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 焊接设备
• 2.2.2 焊接工艺流程
• 2.3 测试方法
• 2.3.1 接头力学性能测试
• 2.3.2 接头组织结构分析
• 3. 非真空半固态搅拌钎焊工艺的研究
• 3.1 不同温度下未经搅拌的 ZnAl27 钎料半固态特征
• 3.2 工艺参数对非真空半固态搅拌钎焊焊件的微观组织的影响
• 3.2.1 钎焊温度对非真空半固态搅拌钎焊焊件的组织的影响
• 3.2.2 搅拌头转速对非真空半固态搅拌钎焊焊件的组织的影响
• 3.2.3 焊接速度对非真空半固态搅拌钎焊焊件的组织的影响
• 3.3 二次搅拌钎焊对非真空半固态搅拌钎焊焊件的微观组织及性能的影响
• 3.3.1 二次搅拌钎焊对非真空半固态搅拌钎焊焊件的微观组织的影响
• 3.3.2 二次搅拌钎焊对接头力学性能的影响
• 本章小结
• 4. 搅拌钎焊下母材表面氧化膜破碎行为及去除机制
• 4.1 半固态搅拌钎焊对母材表面氧化膜破碎行为
• 4.1.1 定点旋转搅拌下氧化膜破碎行为
• 4.1.2 定点旋转搅拌下氧化膜初期破碎行为
• 4.2 搅拌条件下氧化膜破碎物理模型的初步建立
• 4.3 半固态搅拌缺陷研究
• 4.3.1 搅拌头对焊缝组织的污染
• 4.3.2 焊缝中的孔洞
• 本章小结
• 5. 结论
• 致谢
• 参考文献
• 个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果