铜铝瞬间液相扩散焊组织与性能研究

发布时间：2017-04-03 08:10

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【摘要】：铜与铝是电力工业常用的导电材料。在发电、输电、变电和配电过程中,需要将铜与铝连接起来,实现电能的传输。常规的螺栓连接虽然易拆装,但降低了有效导通面积,增大了接触电阻,降低了安全可靠性。因此,电力工业中常使用闪光焊和摩擦焊制备的铜铝过渡接头进行铜铝的连接。长期的运行情况表明,闪光焊和摩擦焊接头中存在的未焊合、氧化物夹杂、金属间化合物等缺陷在运行过程中因接头温升、环境因素和外力作用会降低接头强度,缩短铜铝过渡接头的使用寿命。金属间化合物是铜铝焊接中不可避免的第二相,其高硬度和高电阻率的特性会严重恶化接头性能。瞬间液相扩散焊可形成无析出相、无空洞,成分和组织与母材相似的接头,是解决异种材料可焊性差的先进连接技术。利用铜铝的互扩散而不使用中间层材料进行铜铝的瞬间液相扩散焊,接头中因存在过量的金属间化合物其抗拉强度低于铝母材。为解决闪光焊等固相焊接头使用寿命短和瞬间液相扩散焊接头强度低等问题,本文开发了铜铝瞬间液相扩散焊用铝合金中间层和配套焊接工艺,研究了热处理过程中金属间化合物的生长行为及其对接头性能的影响。试验用焊接母材为T2纯铜、1060纯铝和5A02铝镁合金,中间层材料为60～80μm厚度的铝合金箔片。使用自制的感应加热瞬间液相扩散焊设备进行50mm×5mm铜排-铝排、φ57mm×3.5mm铝管-铝管,φ60mm×8mm铝镁合金管-铝镁合金管的焊接。焊前采用机床加工工件表面,粗糙度Ra0.23～0.68μm。把与焊接面相同尺寸的中间层合金箔片放置于两个工件间,固定工件和中间层合金箔片,设定焊接温度、时间和压力工艺参数进行焊接。焊接过程中,在连接区域通入氩气进行保护,焊后接头自然冷却至室温。采用万能试验机和微欧计测试接头的力学性能和电气性能,以扫描电镜、能谱仪和X射线衍射仪分析接头组织、成分和相,研究中间层合金元素和焊接工艺对接头性能和组织的影响。采用350℃保温500小时的热处理方法研究铜铝瞬间液相扩散焊接头中金属间化合物的生长行为及其对接头性能的影响,并与闪光焊接头进行对比分析。根据瞬间液相扩散焊接原理和铝表面氧化膜去除机制,利用合金化原理设计了系列铝合金中间层,其所含元素质量分数为：Si 6%～8%,Cu 2.5～4%, Mg 0～2.5%, Ga 1%, RE 0.05%接头组织和性能分析表明,Al-8Si-4Cu-2Mg-1Ga-0.05RE中间层合金具有很好的降低熔点作用和去除铝表面氧化膜效果,实现了开放环境下的铜铝异种材料的瞬间液相扩散连接。接头拉伸和弯曲力学性能优于无中间层的瞬间液相扩散焊接头,与铝母材相当,导电性优于铝母材。中间层合金内Mg元素具有良好的去除铝表面氧化膜作用,但过多的Mg会破坏铜铝焊缝界面平衡性,形成微观粗糙界面,降低接头塑性和导电性。Si和Cu具有良好的降低熔点作用,形成的瞬间液相可挤出铜铝接头区残留氧化膜,提高接头塑性和导电性。按照铝母材高温抗拉强度设计的焊接压力可挤出焊缝区的氧化物,减少空洞,实现铜铝接头界面处的洁净。8-13MPa焊接压力范围内,金属间化合物的相种类和厚度基本不受压力影响,铜铝接头抗拉强度和电阻率都变化不大。以金属间化合物层厚度为前提条件,利用Fick扩散定律计算的温度、时间关系,可确定铜铝焊接工艺参数范围。2-l0s保温时间内,随着保温时间的延长,接头区Cu9Al4生长较慢,而CuAl2金属间化合物快速增长,并形成了空洞。接头断裂特征由韧断转变为脆断,接头抗拉强度下降,电阻率增大。560℃～640℃温度范围内,焊接温度不影响金属间化合物的相变化,但影响金属间化合物层的厚度和缺陷。低的焊接温度会形成不平衡凝固的共晶组织且有大量的空洞,金属间化合物呈树枝状生长且厚度很大；高的焊接温度会促进铜铝过度扩散,导致金属间化合物快速增长,增加金属间化合物层厚度。随焊接温度的升高,接头区空洞减少,但过高的焊接温度会产生裂纹。600℃、2s、9MPa的焊接工艺参数有效抑制了金属间化合物的生成和生长。铜铝接头区为2μm厚的Cu9Al4和CuAl2,无氧化物和空洞,接头强度与铝母材相当、弯曲180°不开裂,电阻率低于铝母材,达到理论计算值,接头综合性能优于闪光焊和无中间层长时液相扩散焊。接头热处理性能和组织研究表明,瞬间液相扩散焊和闪光焊接头中的金属间化合物在热处理过程中都由初始的Cu9Al4/CuAl2两层变为热处理后的Cu9Al-4/CuAl/CuAl2三层,而且闪光焊接头中的Cu9Al4逐渐变为CuO。金属间化合物生长过程中出现了柯肯达尔空洞,瞬间液相扩散焊接头空洞出现在Cu9Al4/CuAl界面处,闪光焊接头空洞出现在Cu/Cu9Al4界面处,而且闪光焊接头的空洞很快形成连续裂纹。空洞的位置与应力梯度有关。金属间化合物的生长符合w=K·tn, n=0.37～0.78。CuAl2层和CuAl层的生长都不符合抛物线规律,即n≠0.5,总金属间化合物层和Cu9Al4层基本符合抛物线规律,即n=0.5。CuAl2与Cu9Al4有相近的生长速度,而CuAl的生长速度最慢。闪光焊接头的金属间化合物生长速度比瞬间液相扩散焊快。金属间化合物层存在临界厚度(w0)：ww0,铜铝接头强度和导电性能与金属间化合物层厚度无关；ww0,铜铝接头强度和导电性能随金属间化合物层厚度增加以线性关系降低。瞬间液相扩散焊铜铝接头初始性能和服役性能均优于闪光焊。瞬间液相扩散焊接头的残余应力分布梯度低,服役过程中有效抑制了金属间化合物和空洞的生长,因此其服役性能优于闪光焊。
【关键词】：铜 铝 瞬间液相扩散焊 金属间化合物 性能
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要9-12
• ABSTRACT12-16
• 本文创新和主要贡献16-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-42
• 1.1 电力工业应用中的铜铝焊接18-21
• 1.2 铜铝焊接研究现状及存在问题21-40
• 1.2.1 固相焊22-30
• 1.2.2 钎焊30-34
• 1.2.3 激光焊34-36
• 1.2.4 瞬间液相扩散焊36-38
• 1.2.5 存在的问题38-40
• 1.3 主要研究内容40-42
• 第二章 研究思路与实验方法42-52
• 2.1 研究思路42-43
• 2.1.1 焊接工艺模型42-43
• 2.1.2 技术路线43
• 2.2 实验材料43-44
• 2.3 瞬间液相扩散焊设备44-47
• 2.4 瞬间液相扩散焊工艺过程47-48
• 2.5 接头性能测试方法48-50
• 2.6 接头微观分析方法50-51
• 2.7 热处理方法51-52
• 第三章 中间层合金成分设计及制备52-62
• 3.1 引言52-53
• 3.2 中间层合金成分设计53-57
• 3.3 中间层合金的制备57-61
• 3.3.1 制备技术57-58
• 3.3.2 制备工艺58-60
• 3.3.3 中间层合金的表征60-61
• 3.4 小结61-62
• 第四章 中间层合金的焊接行为62-76
• 4.1 引言62
• 4.2 纯铝的焊接62-65
• 4.3 铝镁合金的焊接65-67
• 4.4 铜铝异种金属的焊接67-72
• 4.5 讨论72-75
• 4.6 小结75-76
• 第五章 瞬间液相扩散焊工艺对接头性能影响76-100
• 5.1 引言76-77
• 5.2 工艺参数优化77-84
• 5.3 焊接工艺参数对接头组织与性能的影响84-94
• 5.3.1 焊接压力对接头组织与性能影响84-87
• 5.3.2 保温时间对接头组织与性能影响87-90
• 5.3.3 焊接温度对接头组织与性能影响90-94
• 5.4 讨论94-97
• 5.4.1 接头组织与成分变化94-95
• 5.4.2 焊接工艺参数计算值与实际值的差异95-97
• 5.5 小结97-100
• 第六章 金属间化合物生长行为及其对接头性能影响100-128
• 6.1 引言100-101
• 6.2 金属间化合物形貌及相变101-107
• 6.3 金属间化合物的生长动力学107-111
• 6.4 金属间化合物与接头性能关系111-115
• 6.5 瞬间液相扩散焊与闪光焊铜铝接头性能对比115-121
• 6.5.1 接头的初始性能115-117
• 6.5.2 接头的服役性能117-121
• 6.6 讨论121-125
• 6.7 小结125-128
• 第七章 结论128-130
• 参考文献130-141
• 致谢141-142
• 攻读博士学位期间完成的学术论文、专利情况142-143
• 附录143-154
• 学位论文评阅及答辩情况表154

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前5条

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本文编号：283987