脉冲大电流热焊接合金的机理和工艺研究

【摘要】：脉冲大电流热加工是材料制备新技术之一,具有很大的发展潜力。 该技术具有低温快速的特征,在材料烧结方面得到非常广泛的应用。 但将该技术用来进行材料焊接的报道很少见,且对界面处原子扩散、 焊接件性能、焊接件温度及应力的分布等也少见报道。本文将该工艺 引入材料的焊接领域,主要对异种金属Cu/Fe和同种金属Ti-6A1-4V合 金的焊接进行了研究。 采用脉冲大电流热焊接方法对Cu/Fe进行了焊接实验,分析了界 面过渡层宽度与焊接温度和保温时间的关系,得出随焊接温度和保温 时间的延长,界面过渡层宽度增加。计算了脉冲大电流热焊接和辐射 热焊接下Cu/Fe体系的扩散系数,得出在相同焊接温度下,前者原子 的扩散系数比后者的大三个数量级。从扩散动力学和热力学方面探讨 了脉冲大电流热焊接方法较其他焊接方法扩散系数大的原因:脉冲大 电流热焊接时,从焊接界面至远离界面处产生了由高至低的温度梯度、 样品中产生了电场和磁场,从而降低了扩散激活能,提高了原子迁移 几率,加大了扩散驱动力,使其原子扩散更快,扩散系数更大。 对脉冲大电流热焊接Ti-6A1-4V时温度和应力分布进行了有限元 计算。结果表明,最高温度只存在于焊接接触界面处,试样中的温度 呈梯度分布,实验结果与该计算结果一致,说明脉冲大电流热焊接是 一种温差焊接工艺。这种温差分布有利于扩散焊接,待焊基体温度低, 因而受热损伤小:在需要高温的焊接界面处温度又达到最高峰值,有 利于高效焊接。应力计算结果得出焊接件中只有数兆帕的拉应力。 对脉冲大电流热焊接Ti-6A1-4V采用了有和无模具不同装模方式 进行试验比较,得出在相同压力和保温时间下,无模具时焊接温度明 显低于有模具时的焊接温度。有无模具时焊接件接头处的接合率均随 焊接温度和保温时间的增加而提高。焊接件接头处显微硬度受焊接高 温的影响很小。接头处显微结构分析表明有晶粒和物相穿过界面生长。 比较了脉冲大电流热焊接和辐射热焊接两种方法对Ti-6A1-4v的焊接, 得出脉冲大电流热焊接所得焊接件的拉伸强度值高于辐射热焊接所得