【摘要】：隨著航空航天、汽車等領(lǐng)域的迅猛發(fā)展,對(duì)輕量化結(jié)構(gòu)的需求越來(lái)越迫切。由于鈦的高強(qiáng)度、斷裂韌性和耐腐蝕性,被廣泛運(yùn)用于輕量化結(jié)構(gòu)中�？紤]到在保證質(zhì)量的前提下節(jié)約成本,鋁合金因?yàn)槠鋬?yōu)良的綜合性能和低成本,在部分輕量化結(jié)構(gòu)中常被用作鈦的替代品。超聲波焊接是一種固態(tài)焊接技術(shù),其具有低溫、低壓、低能耗的特點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)鋁合金和鈦合金的良好連接。本文對(duì)AA6061鋁合金和TA2純鈦進(jìn)行了超聲波點(diǎn)焊試驗(yàn),制定了合適的工藝參數(shù),研究了不同焊接參數(shù)下接頭微觀組織及力學(xué)性能的變化規(guī)律,并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,提出鋁-鈦超聲波點(diǎn)焊接頭形成機(jī)理。在焊接時(shí)間600-1400ms,焊接壓力10-20MPa,焊頭振幅27-37μm范圍內(nèi)接頭成形良好。隨著焊接參數(shù)的增大,焊接熱輸入增加時(shí),鋁母材沉淀相固溶,晶粒發(fā)生再結(jié)晶并且逐漸粗化。鋁側(cè)上表面和靠近界面處受高的應(yīng)力與摩擦作用,材料發(fā)生塑性流動(dòng),晶粒細(xì)化。在所有參數(shù)下,均未發(fā)現(xiàn)明顯的金屬間化合物反應(yīng)層。Al-Ti元素存在相互擴(kuò)散,最大擴(kuò)散距離約5μm。不同焊接參數(shù)下,鋁側(cè)水平方向上的硬度變化相似,都表現(xiàn)為U型趨勢(shì),焊點(diǎn)區(qū)鋁母材受熱輸入作用,硬度低于母材原始狀硬度值,鈦母材維氏硬度值無(wú)明顯變化。接頭拉剪失效載荷隨焊接參數(shù)的增大呈先上升后下降的趨勢(shì)。當(dāng)焊接時(shí)間1000ms、焊接壓力15MPa、焊頭振幅32μm時(shí),接頭拉剪失效載荷最大為5128N。隨著焊接能量的增大,斷裂模式由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)轫g-脆混合型斷裂。采用響應(yīng)面法進(jìn)行工藝優(yōu)化,焊接時(shí)間1160ms,焊接壓力18MPa,焊頭振幅34μm時(shí),接頭拉剪失效載荷最優(yōu)為5200N。不同參數(shù)下超聲波點(diǎn)焊熱循環(huán)變化規(guī)律相似,主要包括快速升溫區(qū)、高溫停留區(qū)和降溫區(qū)。峰值溫度隨焊接參數(shù)增大而增大,最大值可達(dá)到378℃。通過(guò)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,解釋了界面無(wú)金屬間化合物形成的原因。Al-Ti超聲波點(diǎn)焊接頭是在機(jī)械嵌合和冶金結(jié)合的共同作用下形成的。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG453.9
【圖文】：

降低成本以及特殊使用性能等方面的考慮，使鋁和鈦優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、物盡其用，達(dá)到材料使用性能和經(jīng)濟(jì)效益的平衡，開(kāi)發(fā)鋁-鈦異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)具有廣闊的應(yīng)用前景。在鋁-鈦異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)兩者的連接是關(guān)鍵。采用機(jī)械方法連接鋁-鈦難以滿足結(jié)構(gòu)密封性和使用性能的要求，在實(shí)際生產(chǎn)中廣泛采用焊接方法來(lái)實(shí)現(xiàn)鋁-鈦的連接。然而，鋁與鈦的物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大，導(dǎo)致其焊接性較差，從而限制了鋁-鈦異種金屬?gòu)?fù)合結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步應(yīng)用[4]。采用傳統(tǒng)的焊接方法難以實(shí)現(xiàn)鋁-鈦的優(yōu)質(zhì)高效連接，迫切需要開(kāi)發(fā)新的連接技術(shù)，深入研究連接機(jī)理，推動(dòng)鋁-鈦異種金屬輕量化復(fù)合結(jié)構(gòu)的發(fā)展。超聲波點(diǎn)焊（Ultrasonic spot welding, USW）是利用超聲波（頻率16K以上）的高頻機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生能量，同時(shí)在壓力作用下形成接頭的一種壓焊方法。超聲波點(diǎn)焊過(guò)程中，由發(fā)生器輸出超聲頻電流，經(jīng)換能器和變幅桿轉(zhuǎn)化為焊頭的機(jī)械振動(dòng)。母材受靜壓力以及高頻超聲振動(dòng)共同作用，發(fā)生塑性變形，焊接界面的氧化膜和表面附著物會(huì)被破碎與驅(qū)散，從而使焊接界面的金屬原子被激活，實(shí)現(xiàn)金屬焊件間的固相連接[5]。其基本原理如圖 1-1(a)所示，接頭形式如圖 1-1(b)所示。

圖 1-3 鋁-鈦異種金屬 TIG 焊縫界面顯微組織特征(a)接頭上端形貌；(b)接頭底端顆粒狀沉淀相；(c)接頭底端鋸齒狀組織[11]圖 1-4 鋁-鈦搭接激光熔透焊接過(guò)程示意[12]ashchuk等人采用高速Yb:YAG激光焊對(duì)5754鋁合金/TC4鈦合金進(jìn)束的位置對(duì)接頭形貌有直接影響，如圖 1-5所示，當(dāng)激光束偏向生了富含TiAl3相的反應(yīng)層，并且存在裂紋和孔洞等缺陷，而激有利于獲得良好的接頭[13]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2734148