铝/铜异种金属冷金属过渡技术焊接性分析

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铝/铜异种金属接头广泛地应用于电力、化工、制冷和航空航天工业中,具有广泛的实际应用价值。铜在我国属于稀缺资源,价格较高;而铝合金因其密度低、比强度高、热导率、电导率高等优良的材料性能可在某些场合完全或部分替代铜制品,从而实现铝铜材料优势互补,达到材料性能和企业经济效益的平衡。  冷金属过渡(Cold Metal Transfer,CMT)技术是数字化焊接技术发展过程中的一个革命性创新,突破性地实现了焊丝运动同熔滴过渡过程的结合,焊接过程中实现了冷-热交替焊接,极大地降低焊接热输入量,对异种材料连接具有明显的优势。因此,本文利用CMT技术对Al/Cu异种金属焊接性进行了相关研究。  研究表明:利用ER4043铝合金焊丝均可得到表面成形良好的铝铜熔钎焊对接接头、搭接接头。其中,在送丝速度为5.3m/min,焊丝铜侧偏移量D=2 mm工艺参数下焊接得到的铝铜对接接头力学性能最佳,接头峰值载荷为0.88KN;在送丝速度为7.0m/min,焊丝铜侧偏移量D=1mm下焊接得到的铜上铝下搭接接头力学性能最佳,接头拉剪载荷为154N/mm;在送丝速度为5.4m/min,焊丝不偏向任一母材侧焊接得到的铜下铝上搭接接头力学性能最佳,接头拉剪载荷为195N/mm。铝铜对接接头由铝侧熔合区、焊缝区以及铜侧钎焊界面区三部分组成。焊缝区组织主要由α-Al以及α-Al和CuAl2共晶相组成;铜侧钎焊界面区产物主要为CuAl2、CuAl相。拉伸试样宏观断裂发生于铜侧钎焊界面区处,这主要是由于钎焊界面区处大量脆硬金属间化合物的产生和钎焊界面区处显微裂纹、气孔等焊接缺陷的存在两因素综合作用导致的。铜上铝下与铜下铝上两种不同装配方式得到的铝铜搭接接头均由铝侧熔合区、焊缝区以及铜侧结合区/钎焊界面区三部分组成。区别在于铜上铝下搭接接头有三个铜侧结合区,同时焊接热输入量也相对较大。不同铝铜搭接接头形式焊缝区组织均主要由α-Al以及α-Al和CuAl2共晶相组成。区别在于铜下铝上搭接接头焊缝区组织中α-Al和CuAl2共晶相所占比例更小,相尺寸也较为细小。同样,不同铝铜搭接接头形式铜侧结合区/钎焊界面区产物主要为 CuAl2、CuAl相。区别在于铜下铝上搭接接头中CuAl2相尺寸更小(13?m),朝向焊缝区长大趋势不明显。不同铝铜搭接接头形式拉伸试样宏观断裂均发生在铜侧结合区/钎焊界面区CuAl2相上,这主要是由于该相属于脆硬铜铝金属间化合物相且呈尺寸较大的柱状或块状分布于铜母材与焊缝结合界面处。  此外,还利用Ti板作为中间过渡金属焊接得到了表面成形良好的铜-钛-铝复合搭接接头。接头由钛-铜搭接接头和钛-铝搭接接头组成。钛-铝搭接接头部分采用ER4043铝焊丝,焊丝偏移钛侧D=1mm且送丝速度为5.8m/min进行焊接得到;钛-铜搭接接头部分采用ERCuAlNi铜焊丝、不偏移且送丝速度为7.5 m/min焊接得到:在上述工艺参数下焊接得到的铜-钛-铝复合搭接接头力学性能最佳,接头拉剪载荷191N/mm。其中,钛-铜搭接接头由铜侧熔合区、焊缝区以及钛侧结合区三部分组成。焊缝区组织主要由α-Cu以及Ti-Cu-Al-Ni-Fe混合析出相组成,钛侧结合区产物主要由Ti2Cu和TiCu相组成。钛-铝搭接接头由铝侧熔合区、焊缝区以及钛侧结合区三部分组成。焊缝区组织主要由α-Al以及Al-Si共晶相组成,钛侧钎焊界面区产物主要为TiAl3相,部分TiAl3相因受熔池的搅拌作用散落分布在钎焊界面区附近的焊缝中;铜-钛-铝复合搭接接头拉伸试样宏观断裂发生在钛-铝搭接接头部分铝侧熔合区,这主要是由于铝母材受热局部软化,致使铝母材强度降低所致。
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