本文關(guān)鍵詞：銅鋁瞬間液相擴散焊組織與性能研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：銅與鋁是電力工業(yè)常用的導(dǎo)電材料。在發(fā)電、輸電、變電和配電過程中,需要將銅與鋁連接起來,實現(xiàn)電能的傳輸。常規(guī)的螺栓連接雖然易拆裝,但降低了有效導(dǎo)通面積,增大了接觸電阻,降低了安全可靠性。因此,電力工業(yè)中常使用閃光焊和摩擦焊制備的銅鋁過渡接頭進行銅鋁的連接。長期的運行情況表明,閃光焊和摩擦焊接頭中存在的未焊合、氧化物夾雜、金屬間化合物等缺陷在運行過程中因接頭溫升、環(huán)境因素和外力作用會降低接頭強度,縮短銅鋁過渡接頭的使用壽命。金屬間化合物是銅鋁焊接中不可避免的第二相,其高硬度和高電阻率的特性會嚴(yán)重惡化接頭性能。瞬間液相擴散焊可形成無析出相、無空洞,成分和組織與母材相似的接頭,是解決異種材料可焊性差的先進連接技術(shù)。利用銅鋁的互擴散而不使用中間層材料進行銅鋁的瞬間液相擴散焊,接頭中因存在過量的金屬間化合物其抗拉強度低于鋁母材。為解決閃光焊等固相焊接頭使用壽命短和瞬間液相擴散焊接頭強度低等問題,本文開發(fā)了銅鋁瞬間液相擴散焊用鋁合金中間層和配套焊接工藝,研究了熱處理過程中金屬間化合物的生長行為及其對接頭性能的影響。試驗用焊接母材為T2純銅、1060純鋁和5A02鋁鎂合金,中間層材料為60～80μm厚度的鋁合金箔片。使用自制的感應(yīng)加熱瞬間液相擴散焊設(shè)備進行50mm×5mm銅排-鋁排、φ57mm×3.5mm鋁管-鋁管,φ60mm×8mm鋁鎂合金管-鋁鎂合金管的焊接。焊前采用機床加工工件表面,粗糙度Ra0.23～0.68μm。把與焊接面相同尺寸的中間層合金箔片放置于兩個工件間,固定工件和中間層合金箔片,設(shè)定焊接溫度、時間和壓力工藝參數(shù)進行焊接。焊接過程中,在連接區(qū)域通入氬氣進行保護,焊后接頭自然冷卻至室溫。采用萬能試驗機和微歐計測試接頭的力學(xué)性能和電氣性能,以掃描電鏡、能譜儀和X射線衍射儀分析接頭組織、成分和相,研究中間層合金元素和焊接工藝對接頭性能和組織的影響。采用350℃保溫500小時的熱處理方法研究銅鋁瞬間液相擴散焊接頭中金屬間化合物的生長行為及其對接頭性能的影響,并與閃光焊接頭進行對比分析。根據(jù)瞬間液相擴散焊接原理和鋁表面氧化膜去除機制,利用合金化原理設(shè)計了系列鋁合金中間層,其所含元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：Si 6%～8%,Cu 2.5～4%, Mg 0～2.5%, Ga 1%, RE 0.05%接頭組織和性能分析表明,Al-8Si-4Cu-2Mg-1Ga-0.05RE中間層合金具有很好的降低熔點作用和去除鋁表面氧化膜效果,實現(xiàn)了開放環(huán)境下的銅鋁異種材料的瞬間液相擴散連接。接頭拉伸和彎曲力學(xué)性能優(yōu)于無中間層的瞬間液相擴散焊接頭,與鋁母材相當(dāng),導(dǎo)電性優(yōu)于鋁母材。中間層合金內(nèi)Mg元素具有良好的去除鋁表面氧化膜作用,但過多的Mg會破壞銅鋁焊縫界面平衡性,形成微觀粗糙界面,降低接頭塑性和導(dǎo)電性。Si和Cu具有良好的降低熔點作用,形成的瞬間液相可擠出銅鋁接頭區(qū)殘留氧化膜,提高接頭塑性和導(dǎo)電性。按照鋁母材高溫抗拉強度設(shè)計的焊接壓力可擠出焊縫區(qū)的氧化物,減少空洞,實現(xiàn)銅鋁接頭界面處的潔凈。8-13MPa焊接壓力范圍內(nèi),金屬間化合物的相種類和厚度基本不受壓力影響,銅鋁接頭抗拉強度和電阻率都變化不大。以金屬間化合物層厚度為前提條件,利用Fick擴散定律計算的溫度、時間關(guān)系,可確定銅鋁焊接工藝參數(shù)范圍。2-l0s保溫時間內(nèi),隨著保溫時間的延長,接頭區(qū)Cu9Al4生長較慢,而CuAl2金屬間化合物快速增長,并形成了空洞。接頭斷裂特征由韌斷轉(zhuǎn)變?yōu)榇鄶?接頭抗拉強度下降,電阻率增大。560℃～640℃溫度范圍內(nèi),焊接溫度不影響金屬間化合物的相變化,但影響金屬間化合物層的厚度和缺陷。低的焊接溫度會形成不平衡凝固的共晶組織且有大量的空洞,金屬間化合物呈樹枝狀生長且厚度很大；高的焊接溫度會促進銅鋁過度擴散,導(dǎo)致金屬間化合物快速增長,增加金屬間化合物層厚度。隨焊接溫度的升高,接頭區(qū)空洞減少,但過高的焊接溫度會產(chǎn)生裂紋。600℃、2s、9MPa的焊接工藝參數(shù)有效抑制了金屬間化合物的生成和生長。銅鋁接頭區(qū)為2μm厚的Cu9Al4和CuAl2,無氧化物和空洞,接頭強度與鋁母材相當(dāng)、彎曲180°不開裂,電阻率低于鋁母材,達到理論計算值,接頭綜合性能優(yōu)于閃光焊和無中間層長時液相擴散焊。接頭熱處理性能和組織研究表明,瞬間液相擴散焊和閃光焊接頭中的金屬間化合物在熱處理過程中都由初始的Cu9Al4/CuAl2兩層變?yōu)闊崽幚砗蟮腃u9Al-4/CuAl/CuAl2三層,而且閃光焊接頭中的Cu9Al4逐漸變?yōu)镃uO。金屬間化合物生長過程中出現(xiàn)了柯肯達爾空洞,瞬間液相擴散焊接頭空洞出現(xiàn)在Cu9Al4/CuAl界面處,閃光焊接頭空洞出現(xiàn)在Cu/Cu9Al4界面處,而且閃光焊接頭的空洞很快形成連續(xù)裂紋�？斩吹奈恢门c應(yīng)力梯度有關(guān)。金屬間化合物的生長符合w=K·tn, n=0.37～0.78。CuAl2層和CuAl層的生長都不符合拋物線規(guī)律,即n≠0.5,總金屬間化合物層和Cu9Al4層基本符合拋物線規(guī)律,即n=0.5。CuAl2與Cu9Al4有相近的生長速度,而CuAl的生長速度最慢。閃光焊接頭的金屬間化合物生長速度比瞬間液相擴散焊快。金屬間化合物層存在臨界厚度(w0)：ww0,銅鋁接頭強度和導(dǎo)電性能與金屬間化合物層厚度無關(guān)；ww0,銅鋁接頭強度和導(dǎo)電性能隨金屬間化合物層厚度增加以線性關(guān)系降低。瞬間液相擴散焊銅鋁接頭初始性能和服役性能均優(yōu)于閃光焊。瞬間液相擴散焊接頭的殘余應(yīng)力分布梯度低,服役過程中有效抑制了金屬間化合物和空洞的生長,因此其服役性能優(yōu)于閃光焊。
【關(guān)鍵詞】：銅 鋁 瞬間液相擴散焊 金屬間化合物 性能
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG453.9
【目錄】：

• 摘要9-12
• ABSTRACT12-16
• 本文創(chuàng)新和主要貢獻16-17
• 符號說明17-18
• 第一章 緒論18-42
• 1.1 電力工業(yè)應(yīng)用中的銅鋁焊接18-21
• 1.2 銅鋁焊接研究現(xiàn)狀及存在問題21-40
• 1.2.1 固相焊22-30
• 1.2.2 釬焊30-34
• 1.2.3 激光焊34-36
• 1.2.4 瞬間液相擴散焊36-38
• 1.2.5 存在的問題38-40
• 1.3 主要研究內(nèi)容40-42
• 第二章 研究思路與實驗方法42-52
• 2.1 研究思路42-43
• 2.1.1 焊接工藝模型42-43
• 2.1.2 技術(shù)路線43
• 2.2 實驗材料43-44
• 2.3 瞬間液相擴散焊設(shè)備44-47
• 2.4 瞬間液相擴散焊工藝過程47-48
• 2.5 接頭性能測試方法48-50
• 2.6 接頭微觀分析方法50-51
• 2.7 熱處理方法51-52
• 第三章 中間層合金成分設(shè)計及制備52-62
• 3.1 引言52-53
• 3.2 中間層合金成分設(shè)計53-57
• 3.3 中間層合金的制備57-61
• 3.3.1 制備技術(shù)57-58
• 3.3.2 制備工藝58-60
• 3.3.3 中間層合金的表征60-61
• 3.4 小結(jié)61-62
• 第四章 中間層合金的焊接行為62-76
• 4.1 引言62
• 4.2 純鋁的焊接62-65
• 4.3 鋁鎂合金的焊接65-67
• 4.4 銅鋁異種金屬的焊接67-72
• 4.5 討論72-75
• 4.6 小結(jié)75-76
• 第五章 瞬間液相擴散焊工藝對接頭性能影響76-100
• 5.1 引言76-77
• 5.2 工藝參數(shù)優(yōu)化77-84
• 5.3 焊接工藝參數(shù)對接頭組織與性能的影響84-94
• 5.3.1 焊接壓力對接頭組織與性能影響84-87
• 5.3.2 保溫時間對接頭組織與性能影響87-90
• 5.3.3 焊接溫度對接頭組織與性能影響90-94
• 5.4 討論94-97
• 5.4.1 接頭組織與成分變化94-95
• 5.4.2 焊接工藝參數(shù)計算值與實際值的差異95-97
• 5.5 小結(jié)97-100
• 第六章 金屬間化合物生長行為及其對接頭性能影響100-128
• 6.1 引言100-101
• 6.2 金屬間化合物形貌及相變101-107
• 6.3 金屬間化合物的生長動力學(xué)107-111
• 6.4 金屬間化合物與接頭性能關(guān)系111-115
• 6.5 瞬間液相擴散焊與閃光焊銅鋁接頭性能對比115-121
• 6.5.1 接頭的初始性能115-117
• 6.5.2 接頭的服役性能117-121
• 6.6 討論121-125
• 6.7 小結(jié)125-128
• 第七章 結(jié)論128-130
• 參考文獻130-141
• 致謝141-142
• 攻讀博士學(xué)位期間完成的學(xué)術(shù)論文、專利情況142-143
• 附錄143-154
• 學(xué)位論文評閱及答辯情況表154

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前5條

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本文編號：283987