【摘 要】
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铝/铜异质合金结构件在降低成本、实现轻量化的同时可以做到优势互补,在新能源和电气等行业具有良好的应用前景。然而铝、铜因物理化学性质差异大,采用传统焊接方法难以获得性能优良的接头。而采用常规搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）对铝/铜异质金属进行焊接时,虽然获得了表面成形良好、内部无缺陷的接头,但仍面临易产生较硬脆的金属间化合物（Intermetallic compoun
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铝/铜异质合金结构件在降低成本、实现轻量化的同时可以做到优势互补,在新能源和电气等行业具有良好的应用前景。然而铝、铜因物理化学性质差异大,采用传统焊接方法难以获得性能优良的接头。而采用常规搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding,FSW）对铝/铜异质金属进行焊接时,虽然获得了表面成形良好、内部无缺陷的接头,但仍面临易产生较硬脆的金属间化合物（Intermetallic compounds,IMCs）和接头强度较低等问题。因而,国内外学者开发了多种辅助改型工艺,如激光热源辅助FSW和超声辅助FSW等。本课题采用超声振动直接施加在待焊工件正前方的方式（Ultrasonic Vibration enhanced FSW,UVeFSW）对铝/铜异种金属进行焊接,通过对焊接过程中的关键过程参量进行检测,并对接头微观组织和性能等进行表征测试,分析焊接工艺参数和超声振动对铝/铜FSW焊接过程和接头组织性能的影响规律。开展了 2 mm厚6061-T6铝合金板和T2紫铜板的FSW对接实验,研究了母材相对位置和搅拌针偏移量对铝/铜FSW焊缝成形与接头微观组织的影响。总结实验结果后得出以下结论:当焊接速度为110 mm/min、搅拌头转速为700rpm时,采用Cu-RS/Al-AS位置时相较于Cu-AS/Al-RS位置时的焊缝成形更优,焊接阻力更小,材料流动行为和混合更加规律。采用Cu-RS/Al-AS位置时的界面IMCs层厚度明显小于采用Cu-AS/Al-RS位置时,前者的IMCs层均为由Al2Cu层和Al4Cu9层组成的双层结构,后者的接头界面除存在双层IMCs结构外,还存在由Al2Cu层、AlCu层和Al4Cu9层组成的三层IMCs结构。采用Cu-RS/Al-AS位置时的接头最大抗拉强度高于Cu-AS/Al-RS位置时20%以上。采用Cu-RS/Al-AS位置、搅拌头转速为700rpm、焊接速度为110mm/min,搅拌针偏向铜侧0.5 mm时的接头表面成形最优,界面温度最低,且铝/铜异种材料之间形成了更加紧密的机械锁合,材料流动性更好,IMCs层更薄且更均匀,接头的抗拉强度更高。在搅拌头转速为700 rpm和轴肩直径为18 mm的参数组合、搅拌头转速为450 rpm和轴肩直径为18 mm的参数组合、搅拌头转速为700 rpm和轴肩直径为14 mm的参数组合下,开展了铝/铜异种金属的FSW和UVeFSW工艺实验。结果表明:超声振动直接作用在待焊工件正前方的施加方式能够显著优化不同焊接工艺参数情况下的铝/铜FSW焊接过程和接头组织性能。不同焊接速度情况下,施加超声振动后的铝/铜异质FSW焊缝表面成形均能得到改善,前进阻力有所降低,铝/铜两侧的焊接温度略有提升。超声振动扩大了搅拌针退出孔周围材料的塑性变形体积,促进了异种材料的流动和迁移,增强了材料的机械锁合程度,使得铝/铜结合界面更加平缓,减少了界面附近铜碎片的数量和尺寸。超声振动对不同焊接工艺参数条件下铝/铜FSW接头界面IMCs的层数和相组成未产生影响,但其对铝/铜FSW接头上部、中部和下部界面的IMCs层厚度均有一定程度的减薄作用。在搅拌头正前方20 mm施加超声振动后,当采用Cu-RS/Al-AS位置,搅拌头转速为700rpm,焊接速度为110mm/min,轴肩直径为18mm,搅拌针偏向铜侧0.5 mm的焊接条件时获得了最高铝/铜FSW接头抗拉强度,可达247.5 MPa。
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