铜铝异种金属的电容储能冲击焊焊接研究

论文摘要

铜和铝的物理性能和化学性能差异悬殊,且焊接时容易产生脆性化合物,严重影响接头组织和力学性能。本文采用电容储能冲击焊机对铜铝异种金属的丝材和板材进行了焊接。以抗拉强度为主要指标,对焊接工艺参数进行正交设计,优化出最佳工艺,并进一步探索焊接参数对接头力学性能的影响。利用金相显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）和显微硬度计对焊接接头的组织、形貌及成分进行观察分析。依据示波器采集的数据对焊接电流的波形进行分析。取得了以下主要研究成果：优化出了焊接铜丝-铝板的最佳工艺参数为：电容C=70mF,充电电压U=65V,铜丝尖端角度a=90。,弹簧拉力F=1.8N,添加机油介质,使接头抗拉强度高达376.24MPa,为纯铜丝抗拉强度的97%。焊接铝丝-铜板的最佳工艺参数为：C=60mF,U=50V,α=600,F=1.8N,添加机油介质,最高抗拉强度达到163.40MPa,且断裂发生在铝丝侧,即接头强度高于铝丝的抗拉强度。焊接接头性能可靠、热影响区窄。在冲击作用下,将过多熔融物挤出,减少了传统焊接焊缝中出现的熔渣,降低了气孔率。接头组织以快速凝固的柱状枝晶为主,显微硬度值高于两侧基体硬度值。电容储能冲击焊接是电弧放电与机械运动共同作用的过程,焊接时间极短,约为0.015s。利用雷卡琳模型推导的一维热传导方程揭示熔合区凝固时温度与时间的关系,并结合金相分析法估算出铜铝熔合区的凝固速率大于105K／s。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 异种金属焊接的背景
• 1.2 异种金属焊接的研究现状
• 1.2.1 异种金属焊接的简介
• 1.2.2 异种金属焊接的难点
• 1.2.3 异种金属焊接的发展现状
• 1.3 异种金属焊接的主要方法
• 1.3.1 熔焊
• 1.3.2 钎焊
• 1.3.3 压焊
• 1.4 电容储能冲击焊接的研究和发展
• 1.4.1 电容储能焊接的原理
• 1.4.2 电容储能冲击焊接的应用现状
• 1.5 铜铝异种金属焊接的研究进程
• 1.5.1 铜铝异种焊接的研究意义与现状
• 1.5.2 铜铝异种焊接的技术难点
• 1.6 本课题研究意义及内容
• 2 实验工艺路线、设备及方法
• 2.1 实验工艺路线
• 2.2 实验材料
• 2.3 实验设备
• 2.4 实验方法
• 2.4.1 正交方案设计
• 2.4.2 金属丝尖端锥角磨制装置的制作
• 2.4.3 焊接材料加工及焊前处理
• 2.4.4 电容储能冲击焊接试验
• 2.4.5 接头抗拉强度试验
• 2.4.6 焊接接头组织观察
• 2.4.7 焊接接头显微硬度测试
• 3 铜丝-铝板接头力学性能分析
• 3.1 电容储能冲击焊接工艺参数的影响机理
• 3.2 工艺参数的正交优化
• 3.2.1 正交试验方案设计
• 25（5⁶）正交试验极差分析'>3.2.2 L₂₅（5⁶）正交试验极差分析
• 8（2⁷）正交试验方差分析'>3.2.3 L₈（2⁷）正交试验方差分析
• 3.2.4 正交优化对比验证
• 3.3 工艺参数对力学性能的影响
• 3.3.1 铜丝尖端角度对抗拉强度的影响
• 3.3.2 焊接能量对抗拉强度的影响
• 3.3.3 弹簧拉力对抗拉强度的影响
• 3.3.4 焊接介质对抗拉强度的影响
• 3.4 拉伸试验断口分析
• 3.5 本章小结
• 4 铝丝-铜板接头力学性能分析
• 4.1 铝丝-铜板焊接存在的问题
• 4.2 工艺参数的正交优化
• 4.2.1 正交试验方案设计
• 25（5⁶）正交试验极差分析'>4.2.2 L₂₅（5⁶）正交试验极差分析
• 8（2⁷）正交试验方差分析'>4.2.3 L₈（2⁷）正交试验方差分析
• 4.2.4 优化性能比较
• 4.3 工艺参数对力学性能的影响
• 4.3.1 铝丝尖端角度对抗拉强度的影响
• 4.3.2 焊接能量对抗拉强度的影响
• 4.3.3 弹簧拉力对抗拉强度的影响
• 4.3.4 焊接介质对抗拉强度的影响
• 4.4 拉伸试验断口分析
• 4.5 本章小结
• 5 焊接接头组织性能及缺陷分析
• 5.1 焊接接头宏观观察
• 5.2 接头金相显微组织分析
• 5.2.1 焊接试样原始组织
• 5.2.2 铜丝-铝板接头金相组织分析
• 5.2.3 铝丝—铜板接头金相组织分析
• 5.2.4 机油介质对接头微观组织的影响
• 5.3 焊接接头扫描形貌分析
• 5.3.1 铜丝—铝板接头形貌分析
• 5.3.2 铝丝—铜板接头形貌分析
• 5.4 焊接接头扫描能谱分析
• 5.5 接头显微维氏硬度分布
• 5.5.1 铜丝—铝板接头显微维氏硬度分布
• 5.5.2 铝丝—铜板显微维氏硬度分布
• 5.6 接头缺陷分析
• 5.6.1 焊接气孔
• 5.6.2 未焊合
• 5.6.3 焊点烧穿
• 5.6.4 焊偏
• 5.6.5 熔核旋流过深
• 5.6.6 虚焊
• 5.6.7 焊接裂纹
• 5.7 本章小结
• 6 铜铝电容储能冲击焊机理研究
• 6.1 焊接过程分析
• 6.2 焊接凝固过程分析
• 6.3 焊接接头的扩散理论
• 6.4 本章小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 25（5⁶）正交试验设计'>附录1 L₂₅（5⁶）正交试验设计
• 附录2 铜丝-铝板焊接接头抗拉强度结果
• 附录3 铝丝-铜板焊接接头抗拉强度结果
• 附录4 温度场模拟计算源代码
• 作者攻读硕士期间发表论文