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铝合金/不锈钢TIG熔—钎焊界面控制研究
作 者: 张东卫
导 师: 林三宝
学 校: 哈尔滨工业大学
专 业: 材料加工工程
关键词: TIG熔-钎焊 合金元素 温度场 界面结构 力学性能
分类号: TG457.1
类 型: 硕士论文
年 份: 2010年
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内容摘要
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。
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全文目录
摘要 4-5 Abstract 5-10 第1章 绪论 10-19 1.1 课题来源及研究的目的与意义 10-11 1.2 国内外研究现状和分析 11-18 1.2.1 铝/钢异种金属焊接性分析 11-12 1.2.2 异种金属熔-钎焊方法概述 12-14 1.2.3 合金元素在控制界面生长行为方面的研究 14-16 1.2.4 焊接温度场的研究现状 16-18 1.3 本文研究主要内容 18-19 第2章 实验材料、设备及方法 19-24 2.1 实验材料 19-20 2.1.1 实验母材 19 2.1.2 填充材料 19-20 2.1.3 预涂层成分 20 2.2 实验设备及装置 20 2.3 实验研究方法 20-23 2.3.1 实验准备及焊接过程 20-22 2.3.2 焊接温度场的模拟及热循环的测量 22-23 2.4 实验分析测试方法 23-24 2.4.1 微观组织分析 23 2.4.2 力学性能测试 23-24 第3章 Al-Cu 钎料下铝/钢TIG 熔-钎焊接头特征 24-36 3.1 接头宏观形貌 24-25 3.2 焊接接头的微观组织分析 25-28 3.2.1 熔焊接头的微观组织 25-26 3.2.2 钎焊接头界面层组织形态 26 3.2.3 界面层的成分分析 26-28 3.3 在Al-Cu 钎料下界面层的生长机制讨论 28-31 3.3.1 不同含量Cu 元素下界面层的形态 28-30 3.3.2 Cu 元素控制化合物层生长的作用机理 30-31 3.4 接头力学性能 31-35 3.4.1 接头的抗拉强度 31 3.4.2 接头的显微硬度 31-32 3.4.3 接头的断裂行为 32-35 3.5 本章小结 35-36 第4章 钎料中微量元素对接头组织和性能的影响 36-52 4.1 La 元素在改善接头组织和性能的作用 36-41 4.1.1 接头的宏观形貌 36-37 4.1.2 La 元素在控制界面层生长中的作用 37-38 4.1.3 La 元素的加入对熔合区组织的影响 38-40 4.1.4 La 元素的加入对接头性能的影响 40-41 4.2 Zr 元素在改善接头组织和性能的作用 41-45 4.2.1 接头的宏观形貌 41-42 4.2.2 Zr 元素在控制界面层生长中的作用 42-43 4.2.3 Zr 元素的加入对熔合区组织的影响 43-44 4.2.4 Zr 元素的加入对接头性能的影响 44-45 4.3 Ag 元素在改善接头组织和性能的作用 45-51 4.3.1 接头的宏观形貌 45-46 4.3.2 Ag 元素在控制界面层生长中的作用 46-48 4.3.3 Ag 元素的加入对熔合区组织的影响 48-49 4.3.4 Ag 元素的加入对接头性能的影响 49-51 4.4 本章小结 51-52 第5章 铝/钢TIG 熔-钎焊界面层生长机制研究 52-63 5.1 TIG 熔-钎焊温度场研究 52-60 5.1.1 温度场模型的建立 52-53 5.1.2 热源模型的建立 53 5.1.3 网络划分 53-54 5.1.4 边界条件及初始条件的确定 54 5.1.5 材料物理参数的确定 54-55 5.1.6 温度场模拟结果的验证 55-56 5.1.7 温度场模拟结果分析 56-60 5.2 TIG 电弧条件下界面生长的理论描述 60-62 5.2.1 界面层生长的最佳能量控制 61 5.2.2 界面层生长的理论描述 61-62 5.3 本章小结 62-63 结论 63-64 参考文献 64-68 附录 68-69 攻读学位期间发表的学术论文及其他成果 69-71 致谢 71
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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接工艺 > 各种金属材料和构件的焊接 > 金属材料的焊接
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