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铜合金同种及异种金属搅拌摩擦焊工艺研究

作　者: 达朝炳
导　师: 王希靖
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 搅拌摩擦焊紫铜黄铜铝合金焊接工艺参数金属间化合物洋葱环焊接缺陷
分类号: TG453.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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引　用: 2次
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内容摘要

搅拌摩擦焊(friction stir welding,简称FSW)是一种基于摩擦焊的固相连接技术,由于其焊接特点的独特性及优越性,这种新型的连接技术自问世以来,就受到焊接界的广泛关注,各种材料的搅拌摩擦焊焊接性能研究也成为这种焊接方法基础研究的一个重点。到目前为止,对搅拌摩擦焊的研究已经从铝合金的焊接向其它金属的焊接如铜、钛、镁、不锈钢及碳钢等方面发展。本课题是在铝合金搅拌摩擦焊工艺研究的基础上,着重对紫铜、黄铜及异种材料紫铜/黄铜、紫铜/铝合金、黄铜/铝合金的搅拌摩擦焊焊接工艺及焊接性能等问题进行研究。在同种材料的焊接中,分析了不同板厚的紫铜和黄铜在各种工艺参数下的焊缝成形、接头微观组织、显微硬度及接头力学性能等特点,总结了旋转速度和焊接速度的改变对接头焊核区和热机械影响区内晶粒尺寸及形状的影响规律。通过上述研究,得到了成功实现紫铜和黄铜同种材料搅拌摩擦焊的焊接工艺参数范围,并认为通过搅拌摩擦焊得到的紫铜和黄铜接头虽然整体上出现了显微硬度下降的现象,但其平均力学性能要高于常规焊接方法所得到的接头的力学性能。在异种材料的焊接中,着重分析了两种材料不同的放置位置以及被焊材料的板厚对其接头性能的影响,并从微观角度分析了两种材料在接头中的分布情况及交界处的物相成分。分析表明:板厚决定了异种材料铜/铝合金焊接工艺参数范围的大小,异种材料在接头中不是均匀分布的,接头中出现了形态、混合方式不同的区域;在异种材料交界处产生了一定宽度的过渡带,铜/铝接头中出现的金属间化合物主要是Cu9A14和A12Cu,而在紫铜/黄铜接头中的主要是Cu5Zn8。在上述工艺实验的基础上,对出现在各种接头中的材料的塑性流动现象进行了分析。分析认为接头横剖面上存在塑性流动方式不同的区域,文中对出现洋葱环区位置及洋葱环结构特点及形成机理进行了说明;对影响因素众多,材料流动复杂,一般出现内部缺陷的区域也作了了详细分析。本课题通过工艺实验证明,当工艺参数选择最佳值时,能够成功实现紫铜、黄铜,紫铜/铝合金的搅拌摩擦焊连接。其结果不仅为铜合金及铜/铝合金异种材料提供了一种全新、经济、可靠的连接途径,也为后续的搅拌摩擦焊接工艺研究提供了参考,具有重要的实用价值。

全文目录

摘要  8-9
Abstract  9-11
插图索引  11-13
附表索引  13-14
第一章绪论  14-22
  1.1 铜及铜合金焊接现状  14
  1.2 搅拌摩擦焊技术特点综述  14-18
    1.2.1 搅拌摩擦焊原理及特点  14-15
    1.2.2 搅拌摩擦焊主要影响参数  15-18
      1.2.2.1 摩擦头对搅拌摩擦焊质量的影响  16-17
      1.2.2.2 旋转速度对搅拌摩擦焊质量的影响  17
      1.2.2.3 焊接速度对搅拌摩擦质量的影响  17
      1.2.2.4 轴肩压力对搅拌摩擦质量的影响  17-18
      1.2.2.5 其它工艺参数对搅拌摩擦质量的影响  18
  1.3 搅拌摩擦焊研究重点及现状  18-20
  1.4 搅拌摩擦焊技术发展及应用前景  20-21
  1.5 课题研究内容和意义  21-22
第二章实验设备材料及方法  22-27
  2.1 实验用搅拌摩擦焊机  22-23
  2.2 实验用摩擦头  23-24
  2.3 实验所用材料及化学成份  24
  2.4 实验方法  24-25
  2.5 实验其它设备  25-27
第三章同种金属之间的搅拌摩擦焊实验结果分析  27-49
  3.1 紫铜T2搅拌摩擦焊工艺研究  27-37
    3.1.1 实验所选用工艺参数  27-28
    3.1.2 工艺参数对紫铜焊缝表面质量的影响  28-29
    3.1.3 工艺参数对紫铜接头微观组织的影响  29-35
      3.1.3.1 4m厚紫铜板焊接接头组织分析  30-31
      3.1.3.2 焊接速度和旋转速度对焊核区晶粒的影响  31-33
      3.1.3.3 焊接速度和旋转速度对热机械影响区组织的影响  33-35
    3.1.4 工艺参数对紫铜 T2接头力学性能的影响  35-37
      3.1.4.1 紫铜接头显微硬度测试及分析  35-36
      3.1.4.2 紫铜接头力学性能测试及分析  36-37
    3.1.5 紫铜搅拌摩擦焊工艺小结  37
  3.2 黄铜 H62搅拌摩擦焊工艺研究  37-48
    3.2.1 实验所选用工艺参数  37-38
    3.2.2 工艺参数对黄铜焊缝表面质量的影响  38-39
    3.2.3 工艺参数对黄铜接头微观组织的影响  39-44
      3.2.3.1 焊接速度和旋转速度对焊核区晶粒的影响  41-43
      3.2.3.2 焊接速度和旋转速度对热机械影响区组织的影响  43-44
    3.2.4 工艺参数对黄铜 H62接头力学性能的影响  44-48
      3.2.4.1 黄铜接头显微硬度测试及分析  44-46
      3.2.4.2 黄铜接头力学性能测试及分析  46-48
    3.2.5 黄铜搅拌摩擦焊工艺小结  48
  3.3 本章小结  48-49
第四章异种金属间的搅拌摩擦焊实验结果分析  49-66
  4.1 紫铜 T2与黄铜 H62异种材料间的搅拌摩擦焊工艺研究  49-57
    4.1.1 实验所选用工艺参数  49-50
    4.1.2 工艺参数对 T2/H62焊缝表面质量的影响  50
    4.1.3 T2/H62接头微观组织分析  50-54
      4.1.3.1 工艺参数对焊缝组织的影响  52-54
    4.1.4 工艺参数对 T2/H62接头力学性能的影响  54-56
      4.1.4.1 接头显微硬度测试及分析  54-55
      4.1.4.2 接头力学性能测试及分析  55-56
    4.1.5 T2/H62搅拌摩擦焊工艺小结  56-57
  4.2 铜与铝异种材料间的搅拌摩擦焊工艺研究  57-64
    4.2.1 紫铜 T2与铝合金异种材料搅拌摩擦焊工艺研究  57-63
      4.2.1.1 实验所选用工艺参数  57
      4.2.1.2 工艺参数对焊缝表面质量的影响  57-59
      4.2.1.3 接头微观组织、接合方式及物相分析  59-61
      4.2.4.4 接头显微硬度测试及分析  61-62
      4.2.4.5 接头力学性能测试及分析  62-63
    4.2.2 黄铜与铝合金异种材料搅拌摩擦焊研究  63-64
    4.2.3 铜与铝合金异种材料搅拌摩擦焊工艺小结  64
  4.3 本章小结  64-66
第五章铜合金搅拌摩擦焊洋葱环结构及缺陷分析  66-77
  5.1 出现在搅拌摩擦焊接头中的洋葱环特征  66-73
    5.1.1 紫铜接头横剖面内洋葱环结构分析  66-68
    5.1.2 紫铜接头纵剖面环结构分析  68-70
    5.1.3 黄铜接头横剖面内洋葱环结构分析  70
    5.1.4 铝合金接头横剖面内洋葱环结构分析  70-72
    5.1.5 搅拌摩擦焊接头缺陷处环结构分析  72
    5.1.6 搅拌摩擦焊接头内洋葱环结构分析小结  72-73
  5.2 铜及铜合金搅拌摩擦焊焊接缺陷分析  73-76
    5.3.1 焊缝表面缺陷分析  73-74
    5.3.2 焊缝内部缺陷分析  74-76
    5.3.3 焊接缺陷小结  76
  5.2 本章小结  76-77
结论  77-78
参考文献  78-81
致谢  81-82
攻读研究生期间所发表的论文及研究成果  82

铜合金同种及异种金属搅拌摩擦焊工艺研究

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