铜/钛异种金属超声波焊接研究
发布时间：2021-06-12 07:31
随着科学技术的不断进步,现代工业对异种金属焊接的复合构件需求越来越迫切。其中,铜/钛复合构件不仅满足对金属材料导热、导电性的需求,而且还兼备耐腐蚀和耐低温等优良性能。然而这两种金属的热物理和化学冶金性能差异较大,焊接接头较易形成复杂的脆性金属间化合物TixCuy。相比其它异种金属的焊接方法,超声波焊接具有高效环保、焊件变形小、不易产生脆性金属间化合物等优点,对铜/钛异种金属的连接具有独特优势。本文提出采用超声波点焊技术实现1mm厚的T2纯铜和1mm厚的Ti6Al4V钛合金异种金属的连接,基于热-力耦合,建立三维有限元分析模型,模拟分析在不同焊接工艺参数下铜/钛超声波焊接接头界面的温度场和应力场分布规律;研究不同焊接工艺参数对铜/钛超声波焊接接头的界面成形、微观结构以及力学性能的影响;采用锌箔中间层,改变铜/钛焊接接头界面层的组织结构,增大接头有效结合面积,进而提高接头力学性能。有限元分析结果如下:铜/钛超声波焊接接头界面的温度场和应力场分布具有不均匀性,压痕下方界面温度和应力最大并向四周逐级递减。随着焊接能量的增加,铜/钛接头界面最高温度和高...
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铜-钛二元相图
吉林大学硕士学位论文41.3铜/钛异种金属焊接的研究进展由于铜/钛异种金属复合构件在航空航天等工业领域具有潜在的发展前景，近年来许多国内外学者为获得优质的铜/钛复合构件在工艺方面开展了积极有益的探索，尝试使用不同的焊接方法如激光焊、电子束焊、CMT焊、摩擦焊、爆炸焊和扩散焊[26]。现将对以上的焊接方法进行简要概述。1.3.1铜/钛激光焊YongZhao等人[27]对T2纯铜和TA18钛合金进行了激光焊接试验。主要研究当使用激光束以0.45mm的偏移量照射Cu侧母材时(如图1.2所示)，其接头组织和力学性能的变化规律。结果发现，Cu侧焊接熔合线主要由Cu固溶体组成，界面焊缝区处的金属间化合物(IMC)的厚度约25μm，金属间化合物由TiCu，TiCu2，Ti2Cu和Ti3Cu4混合组成。铜/钛对接接头断裂位置发生在金属间化合物层处，接头抗拉强度可达到151MPa，相当于铜母材金属抗拉强度的61%。图1.2激光对铜偏移示意图Fig.1.2SchematicdiagramofthelaseroffsettoCuXiao-LongGao等人[28]采用添加铌中间层的激光辅助钎焊实现了对铜和钛合金的连接。焊接过程如图1.3所示，研究表明，熔合区包括在Ti6Al4V/Nb界面形成的Ti基和Nb基固溶体，而扩散结合层包括在Nb/Cu界面形成的Cu基和Nb基固溶体。Nb夹层的使用成功防止了熔池中Ti和Cu的结合，从而避免了TixCuy脆性相的形成。带有Nb中间层的Cu/Ti接头的最大抗拉强度为225MPa，
第1章绪论5断裂位置出现在Nb/Cu界面附近的Cu侧界面区域并呈韧性断裂。图1.3激光辅助钎焊焊接过程Fig.1.3Laserassistedbrazingprocess王伟宇等人[29]对T2紫铜和TA18钛合金进行了激光自熔焊接试验，试验发现接头焊缝处形成大量TixCuy类金属间化合物，接头的最大抗拉强度仅为81MPa。为了改善接头的力学性能，采用不同厚度的V中间层进行铜/钛异种金属的激光焊接试验。结果发现，当采用0.2mm厚的V中间层时，焊缝中仍有大量的TixCuy脆性相形成，接头抗拉强度几乎没有提升，约为84MPa；当采用0.4mm厚的V中间层时,焊缝邻近铜界面几乎不产生金属间化合物，焊缝邻近钛界面仍有大量的脆性相形成，接头抗拉强度有所提升，约为153MPa；当采用0.6mm厚的V中间层时，接头焊缝处脆性相含量显著减少，接头抗拉强度约为176MPa。1.3.2铜/钛电子束焊ShunGuo等人[30]采用真空电子束焊接方法成功连接Ti6Al4V钛合金和T2纯铜异种金属，电子束焊接过程示意图如图1.4所示。结果表明，Cu母材可以很好地润湿Ti合金表面，但反之则不然。因此，在铜板上移动电子束有助于改善其外观质量和结合强度。当电子束以1.4mm的偏移量移向铜母材时，Cu/Ti焊接接头的抗拉强度可达147MPa，相当于T2铜母材抗拉强度的63%。微观组织分析表明，熔合区存在一个薄的金属间化合物层。它由多种TixCuy金属间化合物组成，例如Ti2Cu、TiCu、Ti3Cu4和β-TiCu4等。断裂位置发生在金属间化合
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯锆作中间层扩散连接TC4钛合金的接头组织与力学性能[J]. 王东,曹健,代翔宇,亓钧雷,冯吉才. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[2]TC4钛合金流动软化行为及本构模型研究[J]. 徐勇,杨湘杰,何毅,杜丹妮. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[3]焊接能量对铝/钛超声波焊接接头性能的影响[J]. 赵玉津,张慧敏,罗震,冯梦楠,郭客. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(01)
[4]超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨[J]. 韩建辉. 科技创新与应用. 2015(35)
[5]利用Ag箔作中间层实现Ti-6Al-4V钛合金/无氧铜的低温高强扩散焊接（英文）[J]. 沈强,向会英,李美娟,罗国强,王仪宇,王传彬,张联盟. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[6]钛铜异种金属CMT焊接参数的优化[J]. 陈涛,雒旭亮,马元学,王暾,车永平. 化工机械. 2015(05)
[7]金属超声波焊接技术及其应用[J]. 刘晓兵,李鹏,夏慧,姜风春,申世坤. 热加工工艺. 2015(15)
[8]2A12与2A11铝合金超声波焊接工艺与组织研究[J]. 谢俊峰,朱有利,黄元林,白昶. 材料工程. 2015(03)
[9]Experimental investigation of Tie6Ale4V titanium alloy and 304L stainless steel friction welded with copper interlayer[J]. R.KUMAR,M.BALASUBRAMANIAN. Defence Technology. 2015(01)
[10]航空用钛合金研究进展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文静. 中国有色金属学报. 2015(02)
博士论文
[1]Ga、Ce对Ag17CuZnSn钎料组织及性能的影响[D]. 马超力.南京航空航天大学 2017
[2]Ti-6Al-4V/QAl10-3-1.5异种材料扩散连接研究[D]. 郭伟.吉林大学 2006
硕士论文
[1]铜/钛异种金属激光焊接头组织与性能研究[D]. 王伟宇.江苏科技大学 2018
[2]Cu/Al异种金属超声波焊接接头组织与力学性能[D]. 刘东锋.吉林大学 2018
[3]铜/铝合金超声波钎焊三维数值模拟及试验研究[D]. 刘达繁.南昌大学 2015
[4]钛/铜异种金属冷金属过渡技术及接头腐蚀行为[D]. 冯振.兰州理工大学 2014
[5]层叠式锂电池制造中金属极片的超声波焊接工艺优化方法[D]. 李东.上海交通大学 2013
本文编号：3226206
【文章来源】：吉林大学吉林省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铜-钛二元相图
吉林大学硕士学位论文41.3铜/钛异种金属焊接的研究进展由于铜/钛异种金属复合构件在航空航天等工业领域具有潜在的发展前景，近年来许多国内外学者为获得优质的铜/钛复合构件在工艺方面开展了积极有益的探索，尝试使用不同的焊接方法如激光焊、电子束焊、CMT焊、摩擦焊、爆炸焊和扩散焊[26]。现将对以上的焊接方法进行简要概述。1.3.1铜/钛激光焊YongZhao等人[27]对T2纯铜和TA18钛合金进行了激光焊接试验。主要研究当使用激光束以0.45mm的偏移量照射Cu侧母材时(如图1.2所示)，其接头组织和力学性能的变化规律。结果发现，Cu侧焊接熔合线主要由Cu固溶体组成，界面焊缝区处的金属间化合物(IMC)的厚度约25μm，金属间化合物由TiCu，TiCu2，Ti2Cu和Ti3Cu4混合组成。铜/钛对接接头断裂位置发生在金属间化合物层处，接头抗拉强度可达到151MPa，相当于铜母材金属抗拉强度的61%。图1.2激光对铜偏移示意图Fig.1.2SchematicdiagramofthelaseroffsettoCuXiao-LongGao等人[28]采用添加铌中间层的激光辅助钎焊实现了对铜和钛合金的连接。焊接过程如图1.3所示，研究表明，熔合区包括在Ti6Al4V/Nb界面形成的Ti基和Nb基固溶体，而扩散结合层包括在Nb/Cu界面形成的Cu基和Nb基固溶体。Nb夹层的使用成功防止了熔池中Ti和Cu的结合，从而避免了TixCuy脆性相的形成。带有Nb中间层的Cu/Ti接头的最大抗拉强度为225MPa，
第1章绪论5断裂位置出现在Nb/Cu界面附近的Cu侧界面区域并呈韧性断裂。图1.3激光辅助钎焊焊接过程Fig.1.3Laserassistedbrazingprocess王伟宇等人[29]对T2紫铜和TA18钛合金进行了激光自熔焊接试验，试验发现接头焊缝处形成大量TixCuy类金属间化合物，接头的最大抗拉强度仅为81MPa。为了改善接头的力学性能，采用不同厚度的V中间层进行铜/钛异种金属的激光焊接试验。结果发现，当采用0.2mm厚的V中间层时，焊缝中仍有大量的TixCuy脆性相形成，接头抗拉强度几乎没有提升，约为84MPa；当采用0.4mm厚的V中间层时,焊缝邻近铜界面几乎不产生金属间化合物，焊缝邻近钛界面仍有大量的脆性相形成，接头抗拉强度有所提升，约为153MPa；当采用0.6mm厚的V中间层时，接头焊缝处脆性相含量显著减少，接头抗拉强度约为176MPa。1.3.2铜/钛电子束焊ShunGuo等人[30]采用真空电子束焊接方法成功连接Ti6Al4V钛合金和T2纯铜异种金属，电子束焊接过程示意图如图1.4所示。结果表明，Cu母材可以很好地润湿Ti合金表面，但反之则不然。因此，在铜板上移动电子束有助于改善其外观质量和结合强度。当电子束以1.4mm的偏移量移向铜母材时，Cu/Ti焊接接头的抗拉强度可达147MPa，相当于T2铜母材抗拉强度的63%。微观组织分析表明，熔合区存在一个薄的金属间化合物层。它由多种TixCuy金属间化合物组成，例如Ti2Cu、TiCu、Ti3Cu4和β-TiCu4等。断裂位置发生在金属间化合
【参考文献】：
期刊论文
[1]纯锆作中间层扩散连接TC4钛合金的接头组织与力学性能[J]. 王东,曹健,代翔宇,亓钧雷,冯吉才. 稀有金属材料与工程. 2018(02)
[2]TC4钛合金流动软化行为及本构模型研究[J]. 徐勇,杨湘杰,何毅,杜丹妮. 稀有金属材料与工程. 2017(05)
[3]焊接能量对铝/钛超声波焊接接头性能的影响[J]. 赵玉津,张慧敏,罗震,冯梦楠,郭客. 天津大学学报(自然科学与工程技术版). 2017(01)
[4]超声波金属焊接的现状及其发展趋势探讨[J]. 韩建辉. 科技创新与应用. 2015(35)
[5]利用Ag箔作中间层实现Ti-6Al-4V钛合金/无氧铜的低温高强扩散焊接（英文）[J]. 沈强,向会英,李美娟,罗国强,王仪宇,王传彬,张联盟. 稀有金属材料与工程. 2015(11)
[6]钛铜异种金属CMT焊接参数的优化[J]. 陈涛,雒旭亮,马元学,王暾,车永平. 化工机械. 2015(05)
[7]金属超声波焊接技术及其应用[J]. 刘晓兵,李鹏,夏慧,姜风春,申世坤. 热加工工艺. 2015(15)
[8]2A12与2A11铝合金超声波焊接工艺与组织研究[J]. 谢俊峰,朱有利,黄元林,白昶. 材料工程. 2015(03)
[9]Experimental investigation of Tie6Ale4V titanium alloy and 304L stainless steel friction welded with copper interlayer[J]. R.KUMAR,M.BALASUBRAMANIAN. Defence Technology. 2015(01)
[10]航空用钛合金研究进展[J]. 金和喜,魏克湘,李建明,周建宇,彭文静. 中国有色金属学报. 2015(02)
博士论文
[1]Ga、Ce对Ag17CuZnSn钎料组织及性能的影响[D]. 马超力.南京航空航天大学 2017
[2]Ti-6Al-4V/QAl10-3-1.5异种材料扩散连接研究[D]. 郭伟.吉林大学 2006
硕士论文
[1]铜/钛异种金属激光焊接头组织与性能研究[D]. 王伟宇.江苏科技大学 2018
[2]Cu/Al异种金属超声波焊接接头组织与力学性能[D]. 刘东锋.吉林大学 2018
[3]铜/铝合金超声波钎焊三维数值模拟及试验研究[D]. 刘达繁.南昌大学 2015
[4]钛/铜异种金属冷金属过渡技术及接头腐蚀行为[D]. 冯振.兰州理工大学 2014
[5]层叠式锂电池制造中金属极片的超声波焊接工艺优化方法[D]. 李东.上海交通大学 2013
本文编号：3226206
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