铜铝管磁脉冲—半固态复合辅助钎焊工艺过程模拟及实验研究

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Cu/Al复合结构不仅能实现产品轻量化,而且可节约资源﹑降低成本,具有广泛的应用前景。钎焊常用于Cu/Al连接,然而传统钎焊需配合钎剂来去除母材表面氧化膜,焊后残留的卤素元素会降低接头的抗腐蚀性。所以,Cu/Al无钎剂钎焊成为近年来的发展方向。为此,课题组提出了磁脉冲—半固态复合辅助钎焊Cu/Al异质管件的新方法,通过磁脉冲力驱动外管高速挤压半固态钎料,利用固相颗粒对母材表面的冲击剪切作用去除氧化膜,实现无钎剂钎焊。利用商业软件LS-DYNA对磁脉冲—半固态复合辅助钎焊的整个工艺过程进行多物理场耦合仿真分析,并结合实验对这一新工艺进行可行性研究。重点研究管间隙﹑搭接长度以及各工序的放电电压等工艺参数的影响规律,探究去膜机理,分析接头显微形貌及相组成的演变机制。对于钎料装夹成形过程,在内外管间隙1mm,电容550μF条件下,放电电压5kV以下时,外管变形量较小,无法与钎料贴合;6kV和7kV时,内外管及钎料间的连接较松;8kV时连接较为紧密,具有一定的机械连接强度。当内外管间隙超过1.5mm时,外管(Al)会发生起皱。较佳的工艺参数为放电电压8kV,内外管间隙1mm(电容550μF)。对于固液复合成形过程,模拟结果:钎料内部的剪切应力和速度场主要分布于钎焊接头的管端和尾部区域;其中,速度的分布近似呈抛物线,在Cu管壁面处速度为0,而剪切应力则在Cu管壁面处最大;流体内部压力场分布在后期基本均匀;剪切应力﹑速度以及压力皆随时间呈脉冲形式;不同放电电压下,管端区域钎料厚度随电压增大而减小,且压缩量趋缓;而壁面压力幅值,剪切应力幅值以及管端挤出速度幅值皆随电压呈线性增长;电压达到8kV时,内管有失稳倾向(电容550μF)。实验结果:电容550μF﹑钎料温度410℃条件下,放电电压5kV时,内外管与钎料未实现连接;6kV时,两侧母材的氧化膜未有效去除;7kV时,氧化膜有效去除,接头连接良好;去膜机制归结为固相颗粒的挤压剪切作用,液相潜入顶离作用以及流体内部对氧化膜的二次破碎;钎缝层的组织以α-Al﹑花状CuZn5和富锌相为主;Al侧以α-Al和CuZn5为主;Cu侧则以扩散层﹑花状CuZn5﹑α-Al以及锯齿状三元相Al4.2Cu3.2Zn0.7为主;放电电压7kV,搭接长度超过2mm时,接头连接强度高于Al母材,剪切强度超过60MPa。
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