铝—钛异种金属超声波点焊工艺及机理研究

发布时间：2020-06-29 17:47

【摘要】：随着航空航天、汽车等领域的迅猛发展,对轻量化结构的需求越来越迫切。由于钛的高强度、断裂韧性和耐腐蚀性,被广泛运用于轻量化结构中。考虑到在保证质量的前提下节约成本,铝合金因为其优良的综合性能和低成本,在部分轻量化结构中常被用作钛的替代品。超声波焊接是一种固态焊接技术,其具有低温、低压、低能耗的特点,可以实现铝合金和钛合金的良好连接。本文对AA6061铝合金和TA2纯钛进行了超声波点焊试验,制定了合适的工艺参数,研究了不同焊接参数下接头微观组织及力学性能的变化规律,并对工艺参数进行了优化,提出铝-钛超声波点焊接头形成机理。在焊接时间600-1400ms,焊接压力10-20MPa,焊头振幅27-37μm范围内接头成形良好。随着焊接参数的增大,焊接热输入增加时,铝母材沉淀相固溶,晶粒发生再结晶并且逐渐粗化。铝侧上表面和靠近界面处受高的应力与摩擦作用,材料发生塑性流动,晶粒细化。在所有参数下,均未发现明显的金属间化合物反应层。Al-Ti元素存在相互扩散,最大扩散距离约5μm。不同焊接参数下,铝侧水平方向上的硬度变化相似,都表现为U型趋势,焊点区铝母材受热输入作用,硬度低于母材原始状硬度值,钛母材维氏硬度值无明显变化。接头拉剪失效载荷随焊接参数的增大呈先上升后下降的趋势。当焊接时间1000ms、焊接压力15MPa、焊头振幅32μm时,接头拉剪失效载荷最大为5128N。随着焊接能量的增大,断裂模式由脆性断裂转变为韧-脆混合型断裂。采用响应面法进行工艺优化,焊接时间1160ms,焊接压力18MPa,焊头振幅34μm时,接头拉剪失效载荷最优为5200N。不同参数下超声波点焊热循环变化规律相似,主要包括快速升温区、高温停留区和降温区。峰值温度随焊接参数增大而增大,最大值可达到378℃。通过热力学和动力学分析,解释了界面无金属间化合物形成的原因。Al-Ti超声波点焊接头是在机械嵌合和冶金结合的共同作用下形成的。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9
【图文】：

示意图,超声波点焊,示意图

降低成本以及特殊使用性能等方面的考虑，使铝和钛优势互补、物尽其用，达到材料使用性能和经济效益的平衡，开发铝-钛异种金属复合结构具有广阔的应用前景。在铝-钛异种金属复合结构的设计当中，实现两者的连接是关键。采用机械方法连接铝-钛难以满足结构密封性和使用性能的要求，在实际生产中广泛采用焊接方法来实现铝-钛的连接。然而，铝与钛的物理、化学性质差异较大，导致其焊接性较差，从而限制了铝-钛异种金属复合结构的进一步应用[4]。采用传统的焊接方法难以实现铝-钛的优质高效连接，迫切需要开发新的连接技术，深入研究连接机理，推动铝-钛异种金属轻量化复合结构的发展。超声波点焊（Ultrasonic spot welding, USW）是利用超声波（频率16K以上）的高频机械振动产生能量，同时在压力作用下形成接头的一种压焊方法。超声波点焊过程中，由发生器输出超声频电流，经换能器和变幅杆转化为焊头的机械振动。母材受静压力以及高频超声振动共同作用，发生塑性变形，焊接界面的氧化膜和表面附着物会被破碎与驱散，从而使焊接界面的金属原子被激活，实现金属焊件间的固相连接[5]。其基本原理如图 1-1(a)所示，接头形式如图 1-1(b)所示。

形貌,异种金属,TIG焊缝,显微组织特征

图 1-3 铝-钛异种金属 TIG 焊缝界面显微组织特征(a)接头上端形貌；(b)接头底端颗粒状沉淀相；(c)接头底端锯齿状组织[11]图 1-4 铝-钛搭接激光熔透焊接过程示意[12]ashchuk等人采用高速Yb:YAG激光焊对5754铝合金/TC4钛合金进束的位置对接头形貌有直接影响，如图 1-5所示，当激光束偏向生了富含TiAl3相的反应层，并且存在裂纹和孔洞等缺陷，而激有利于获得良好的接头[13]。

【参考文献】