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《北京工业大学》 2011年
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异种合金激光深熔钎焊机理与技术研究

董鹏  
【摘要】:异种合金复合结构可以综合利用两种合金的优势性能,在现代工业中有着广泛的应用前景。但是异种合金之间的物理、化学性质差异以及不同元素在界面相互反应生成的新相,使异种合金的焊接存在很大困难。因此,对异种合金激光焊接工艺技术及机理的研究,实现异种合金的可靠连接,对于异种合金复合结构的应用具有重要的理论和实际意义。 本文针对熔点差异较大的异种合金组合,提出了一种激光深熔钎焊的方法,即在焊接过程中,采用聚焦的激光作用在低熔点母材一侧进行深熔焊接,低熔点母材熔化后在接头界面铺展浸润高熔点母材从而形成钎焊接头。激光深熔钎焊在低熔点母材一侧为激光深熔焊特征,在高熔点母材一侧为钎焊特征。 本文以黄铜-低碳钢、铝合金-紫铜以及铝合金-钛合金三类不同异种合金为代表,系统研究了三种组合激光深熔钎焊接头成形特点及影响因素,接头显微组织和力学性能,并采用有限单元法对激光深熔钎焊传热过程进行了模拟和分析。 在黄铜-低碳钢组合中,液态黄铜在低碳钢界面可以良好地浸润。另外铁和铜两种元素在固相形成固溶体,不会形成金属间化合物,因此黄铜-低碳钢激光深熔钎焊接头成形较好。在铝合金-紫铜组合中,铝和铜两种元素能够形成共晶,有助于液态铝润湿铜界面形成良好深熔焊接头。但是铜与铝较高的导热率,在激光能量密度较小时,冷却速度较快,易出现未熔合缺陷。在铝和铜的焊接过程中需要较多的能量输入。对于铝合金-钛合金组合,由于液态铝在钛界面的浸润性较差及铝和钛易形成金属间化合物,在铝合金-钛合金激光深熔钎焊过程中界面易出现未熔合缺陷。通过优化工艺参数可以促进液态铝在钛合金界面的铺展浸润并控制金属间化合物的生成,得到成形较好的焊接接头。 利用光学显微镜、扫描电子显微镜及透射电镜等手段研究了三种异种合金接头组合的接头显微组织,结果表明对于黄铜-低碳钢等形成固溶体的异种合金组合,在焊缝界面没有明显的过渡层,而对于能形成共晶或金属间化合物的异种合金组合,界面会形成由金属间化合物或共晶及其混合物构成的过渡层。如铝合金-铜接头界面存在由金属间化合物层以及α(Al)+Al2Cu共晶构成的过渡层,熔化的铜母材在焊缝中以α(Al)+Al2Cu共晶的形式存在,而在铝合金-钛合金焊缝界面位置,只存在由金属间化合物构成的过渡层。 研究了在铝合金-紫铜激光焊接中,不同铜母材的熔化量对于接头的力学性能的影响。铝合金-紫铜激光熔焊接头的抗拉强度为79MPa左右,断裂在焊缝。铝合金-紫铜激光深熔钎焊-熔焊部分接头断裂发生在铝母材位置,部分断裂发生在界面处,其抗拉强度为大于94.5MPa。铝合金-紫铜激光深熔钎焊的抗拉强度较低,抗拉强度为52MPa,断裂发生在界面金属间化合物层与共晶层结合的位置,此时焊缝的显微硬度要高于铝母材但是低于铜母材,而铜母材存在一定熔化的焊缝的显微硬度都高于两种母材。铝合金-钛合金激光深熔钎焊接头的最大抗拉强度为217MPa,接头的断裂为韧性断裂,接头的抗拉强度随着界面未熔合率的下降而增加。但是在1m/min情况下,靠近界面的钛合金母材晶界位置析出的氧化物会导致出现微裂纹,以及当激光入射角大于9°时,激光直接作用在钛合金界面,在焊缝中产生大量缺陷影响接头强度。 采用移动离散热源模型,在有限元分析软件Ansys中编写APDL程序对异种合金激光深熔钎焊温度场分布以及界面热循环进行了模拟计算。分析了不同材料以及工艺参数对焊接过程温度场以及界面热循环的影响。
【学位授予单位】:北京工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TG456.7

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【参考文献】
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