铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究 摘要：搅拌摩擦焊是一种新型的固相方法，在异种材料连接方面有广阔的应用前景。本文从搅拌摩擦的工艺、性能及组织三方面分别介绍了铝-钢搅拌摩擦焊的研究进展，为其深入研究提供了依据。采用搅拌摩擦焊，异种金属铝-钢可以实现连接，但工艺参数选择范围较小，钢置于前进边时,铝-钢更易连接。由于铝-钢物理性能的差异，二者流动状态不同，焊核两侧呈现不同结构，接头的力学性能由于脆性金属间化合物的存在而降低。通过改变热输入或添加第三组元等微量元素的办法可以改善接头的力学性能。 前言 在航空航天、交通运输、船舶制造等工业中，为了减轻重量、节约能源、降低成本、满足不同的工作条件, 异种材料的焊接技术日益受到人们的重视[1]。利用铝及铝合金密度小（大约是钢的1/3），耐腐蚀性、导热率和导电性好的优势，用铝合金代替钢可以减轻结构件的重量，在重型装备轻量化方面具有良好应用前景，然而如何解决铝-钢异种材料间的连接是决定其安全使用的关键问题。 目前，铝-钢的主要连接方法有熔焊中的爆炸焊[2]、焊[3]、熔钎焊[4], 还有固相连接的摩擦焊[5]。通常爆炸焊接只适用于铝-钢复合板。采用激光焊和熔-钎焊时，由于铝和钢的熔点、导热性能差异很大，在接头过渡区容易形成多种脆性的金属间化合物，无法获得高质量的接头。旋转摩擦焊焊接铝-钢又只适用于柱形材料，接头受限制。以上各种方法都难以保证制备出质量良好的铝-钢焊接接头，限制了其大规模应用。 搅拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）是一种新型的固相连接方法，具有高效、环保、热变形和残余应力小等综合优点[6]。它是利用搅拌头和工件之间的摩擦热，一般低于母材的熔点，因此焊接过程中工件没有熔化，与传统的焊接方法相比，能够有效避免气孔、裂纹等组织缺陷。此外，搅拌摩擦焊基本不受材料物理化学性能、机械性能及晶体结构等因素的影响，对克服不同材料性能差异带来的焊接困难具有极大的优势[7]，因此在异种金属连接中具有广阔前景，相关机理研究也越来越受到重视。本文将从工艺、组织、性能三分面分析铝-钢搅拌摩擦焊的研究现状。 1铝-钢工艺过程及参数 1.1搅拌头 在搅拌摩擦焊中，搅拌头的尺寸和形状对焊缝成形质量和金属流动有重要的影响。在铝-钢的搅拌摩擦焊过程中，由于钢的硬度较大，且熔点为1500℃左右，因此对搅拌头的材料提出了更高的要求，即具有良好的耐高温及耐磨性以提高搅拌头的使用寿命。合适材料的搅拌头能够增加摩擦，提高热量的输入，有利于焊缝金属塑化和提高焊接质量。据文献显示，可用作铝-钢搅拌摩擦焊的搅拌头材料很多, 如热处理的工具钢[8]、钢[9,10,11]、镍基合金[12]、wc-co合金钢[13]等。
第四节铝与异种金属的焊接 现代工业对零部件的性能提出了更高的要求，如耐蚀性、导电性、导热性、磁性、熔点、硬度及耐磨性、低温韧性、耐高温持久强度等多方面的性能。有些情况下，任何一种金属材料都不可能全面满足使用性能要求，或者即使某种金属比较理想，却由于十分稀贵，不能在工程实际中大量应用。当需要制作一个在不同工作部位上具有不同性能的机件或构件，却找不到一种同时都能满足这些性能要求的金属材料时，最合理而又经济的办法是：对任何一个部位都根据其最重要的工作性能，选择相对最合适的金属材料制作，然后用焊接方法把这些各具特殊性能的金属材料连接成一个整体。这种把化学性能或物理性能有差异的金属焊接在一起的工艺过程称为异种金属焊接。 目前，在石油化工、能源、机车车辆、海洋开发、军工及航窑航天技术等方面，越来越多的铝与异种金属韵焊接结构投入了实际应用。主要有铝与铜、铝与钛、铝与钢及不同型号铝合金之间的焊接。 异种金属的焊接要比同种金属焊接困难和复杂：不同母材之间、母材与填充金属之间的相互作用是不同的，这给焊接带来了冶金上的困难；又有因物理性能上存在差异带来焊接工艺上的困难。 一、铝与铜的焊接 铝和铜导电性能都很好，都是常用于制造导电体的材料。铝比铜的密度小（属于轻金属），价格便宜，许多场合需要以铝代铜，因此常常需要将铝、铜连接起来，铝-铜接头广泛用于化工、电器和制冷工业中。铝与铜之间采用机械连接是不可靠的，需用焊接方法连接。
从表2-4-1中可以归纳出铝与铜的以下几点特性： 1.铝与铜的特性 表2-4-1 铝和铜的物理性能及主要力学性能 （1）铝和铜的导电及导热性很好。在所有金属中，铜居第二位，铝居第四位。 （2）铝和铜都是面心立方品格，具有极好的塑性，因此都能够通过冷、热压力加工。 （3）铝与铜在液态时相互无限固溶，固态时有限固溶。 （4）铝和铜在液态时流动性都很大。 （5）铝的强度比铜低得多。铝在550℃以上强度显着降低。虽然铝可经冷变形加工硬化提高强度，但同时塑性也会下降。
目录 摘要 ..................................................................................................................................... I ABSTRACT ....................................................................................................................... III 目录 ................................................................................................................................... V II 第一章绪论 . (1) 1.1 课题背景及研究意义 (1) 1.1.1 课题研究背景 (1) 1.1.2 课题研究意义 (2) 1.2 自冲铆接技术的研究及发展现状 (3) 1.2.1 自冲铆接工艺研究现状 (3) 1.2.2 自冲铆接质量监测研究现状 (7) 1.3 本文主要研究内容 (8) 第二章自冲铆接工艺及试验系统 (10) 2.1 自冲铆接工艺 (10) 2.1.1 自冲铆接工艺过程 (10) 2.1.2 自冲铆接工艺特点 (12) 2.1.3 自冲铆接工艺参数 (12) 2.1.4 传统的铆接接头质量评价方法 (13) 2.2 自冲铆接试验设备及材料选取 (15) 2.2.1 自冲铆接试验设备 (15) 2.2.2 试验材料和关键要素的选取 (17) 2.3 自冲铆接试验质量评价方法 (19) 2.3.1 准静强度试验 (19) 2.3.2 铆接接头几何观测法 (20) 2.4 本章小结 (21) 第三章基于正交试验设计的自冲铆接工艺优化 (22) 3.1 正交试验设计方法 (22) 3.1.1 正交试验设计基本原则 (22) 3.1.2 数据分析方法 (23) 3.2 自冲铆接正交试验方案设计 (27) 3.2.1 确定试验考察的水平和因素 (27) 3.2.2 表头设计 (28) 3.3 试验结果分析 (29) 3.3.1 AA6061-T6+DP590自冲铆接接头的正交实验结果与分析 (29) 3.3.2 AA6061-T6+DP780自冲铆接接头的正交实验结果与分析 (40) 3.3.3 两种板材组合正交实验结果对比 (49) VII
铝钢异种材料激光焊接接头力学性能研究 程东海，胡文斌，陈益平，胡德安 （南昌航空大学，南昌 330063） 摘要：采用激光深熔焊方法对不锈钢/铝合金的搭接焊进行了试验研究。研究了工艺参数对焊缝成形及力学性能影响，试验研究表明，添加Ni箔可保证良好的焊缝成形与合适的熔穿深度。焊接线能量参数区间为38-53 J/mm，最大断裂强度为166N/mm。 关键词：铝钢异种材料激光焊接力学性能 0序言 随着各国对环保问题的重视，结构较轻材料的应用越来越受到人们的重视。铝就是其中之一。铝具有含量丰富，密度小，比强度高导热性能好等优点。目前，“不锈钢/铝合金复合结构被广泛应用于航空航天、船舶制造，以及日用产品等领域。铝钢之间的焊接存在着较多的问题，固溶度较低、热物理性能差异较大，极易在两者之间形成脆性金属间化合物。此化合物极大得降低了焊接焊接接头性能[1~2]。 实现不锈钢与铝合金连接的方法当前主要为钎焊[3~7]，然而钎焊工艺繁琐，焊接周期长，焊接柔性差，接头力学不高，腐蚀性钎剂的使用还会导致接头的耐蚀性能大大下降，不能满足不锈钢与铝合金高效连接的要求。 激光具有有效控制加热区域，精确控制热输入量，熔池高温停留时间短，可有效控制金属间化合物的数量等优点，在异种金属连接领域越来越受到重视。本文利用激光深熔焊的方法对201不锈钢与5052铝合金进行搭接，分析不锈钢/铝合金激光深熔焊接头的力学性能，为不锈钢与铝合金的实际应用奠定试验基础。1 实验材料及方法 1.1焊接设备与材料 试验采用的201不锈钢与5052铝合金，板厚都为1mm，规格为100mm×80mm。Ni箔厚度为100μm，纯度>99.9%。激光焊接试验采用HS-40高功率轴快流CO2激光器，激光器额定输出功率4KW，光束模式为TEMO1，透射镜聚焦，焦距f =175.4mm，氩气压力为 0.1-0.4Mpa。 1.2 试验方法 201不锈钢板焊前采用丙酮清洗表面油污及杂质；5052铝合金板先用丙酮清洗，再将它浸在10%-15%的NaOH溶液中（温度为60℃-70℃），浸洗2min-3min，浸后产生大量气泡，并形成一层黑色薄膜，然后用水将铝板表面的碱液冲洗干净。将碱洗后的铝板再浸入30%的硝酸溶液中，浸洗1min-2min 后取出，待表面变为白色且光亮，用水将表面残留的硝酸冲洗干净，室温晾干。 采用上为不锈钢下为铝的搭接形式，两板之间加与不加Ni箔，并用专用夹具夹持。激光功率 1.0-3.0KW，焊接速度1.0-3.0m/min。焊后用游标卡尺在焊缝中部三个不同位置测量焊缝宽度并取平均值。将焊后得到的试件线切割制成如图1所示的拉伸试样，在INSTRON 5569电子试验机上进