铜-铝异种材料搅拌摩擦焊接研究(2)
4.1 取样 20
4.2 金相试验 21
4.3 扫描电镜 23
5 试验中出现的问题及建议 26
5.1 材料的选择 26
5.2 焊接参数的选择 26
5.3 板材的夹持 26
结论 27
致谢 28
参考文献 29
1 绪论
1.1 选题背景与意义
铜及铜合金是热和电的良好导体，而且耐腐蚀性、加工性也比较好，不仅在生活中随处可见，也广泛应用于工业、军事等领域。然而由于铜资源属于严重短缺金属，使用成本比较高。铝及铝合金密度比较低，强度比较高，而且耐腐蚀性、导电率和导热率都不错，这些优点与铜类似，用铝代替铜既能减轻工件重量又经济实惠。
目前铜铝连接方式常用螺栓机械结合，这种接头的性能很差，容易发生电化学腐蚀，从而使接头强度大幅度下降，另外，铜铝界面处形成的氧化膜会使电阻增大，通电时接头局部热量会很高，导致铜铝接头发生破坏。在熔焊中，由于铜和铝的物理性能相差较大，铝的熔点660℃，而铜的熔点1083℃，铝的线膨胀系数23.8，而铜的线膨胀系数16.6，铜导热较铝快，并且铜与铝之间反应很容易形成脆而硬的金属间化合物，这使得原有的熔焊方法难以焊接铜铝两种材料，从而使传统熔焊在异种材料焊接上难以得到运用。
该项目的研究具有深远的意义，针对个人而言，通过本次试验，培养了本人查阅文献、整理资料、动手操作、研究分析、独立思考等多项能力，作为即将毕业的本科生，适量高些强度的锻炼有助于快速适应社会、融入社会、进入工作状态。针对这一领域的发展而言，鉴于搅拌摩擦焊属于一种新型的固态连接技术，在焊接过程中金属不会发生熔化，焊接温度相对较低，焊接变形小、残余应力小，从而获得无损的铜铝异种焊接接头，因而具有重大的现实意义。
1.2 搅拌摩擦焊的工艺原理与技术特点
1.2.1 搅拌摩擦焊接工艺原理
与一般的摩擦焊相同，异种材料搅拌摩擦焊的焊接热源也是搅拌头与工件间摩擦产生的热。不一样的是，搅拌摩擦焊焊接过程是用一个圆柱体或圆锥体形状的焊头（welding pin）扎入到工件的接缝处，该焊头就是搅拌头，搅拌头高速旋转，并与被焊工件材料间相互摩擦，摩擦生热使连接部位的材料升温软化，然后软化后的材料被搅拌混合在一起的焊接方法。在焊接过程中，需要将工件刚性固定在背垫上，搅拌头高速旋转的同时沿着工件的接缝处与工件相对移动。搅拌头扎入材料内部进行摩擦和搅拌，其肩部则与工件表面摩擦生热，还能防止塑性状态材料的溢出，同时还能清除工件表面的氧化膜 [1]。
在焊接过程中，搅拌头在旋转的同时扎入到工件的接缝中，随着搅拌头的移动，发生塑性变形的材料流向搅拌头的背后，从而形成搅拌摩擦焊的焊缝[2]。
图1.1所示为搅拌摩擦焊接的工艺示意图。FSW技术使用一种特殊的搅拌头，该搅拌头结构包括探针(pin)和轴肩(shoulder)。在焊接前，把试板放好并压紧，然后插入搅拌头，并使搅拌头顶端与工作台之间有一定的距离，而搅拌头的轴肩要与试板表面紧密相接甚至压入一定的深度。在焊接过程中，搅拌头高速旋转，运动沿试板间的接缝方向，搅拌摩擦生热使得探针周围的金属处于热塑性状态，在搅拌头的作用下，探针前侧的塑性状态的金属向后侧流动，并且在该处发生塑性融合，最终使两块试板压焊到一起形成一个整体[3]。