【摘 要】
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搅拌摩擦焊属固相连接技术,具有热输入低、焊接变形小、接头质量高等优点,被用于有色金属及异种金属的焊接。铜（Cu）、铝（Al）等属工业常用有色金属,Cu/Al复合结构广泛用于电力、能源等领域。采用搅拌摩擦焊能够获得性能优良的Cu/Al异种金属结构,但目前针对Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊的研究往往只针对单一方向,缺乏系统性。因此,本文针对Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊展开系统研究,从温度场特征、焊接特性
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搅拌摩擦焊属固相连接技术,具有热输入低、焊接变形小、接头质量高等优点,被用于有色金属及异种金属的焊接。铜（Cu）、铝（Al）等属工业常用有色金属,Cu/Al复合结构广泛用于电力、能源等领域。采用搅拌摩擦焊能够获得性能优良的Cu/Al异种金属结构,但目前针对Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊的研究往往只针对单一方向,缺乏系统性。因此,本文针对Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊展开系统研究,从温度场特征、焊接特性、流动特性、断裂特征以及冶金结合特征等多个维度进行深入分析。对比分析了锥状搅拌头在异种金属焊接过程中存在的局限性,设计并研制了更有利于Cu/Al异种金属连接的柱状搅拌头,并对其焊接效果做了对比分析,结果表明,柱状搅拌头在金属破碎细化方面更有优势。工艺特性试验结果显示,Cu置于前进侧（Advancing Side:AS）时,接头平均强度为148.5MPa高于Cu置于后退侧（Retreating Side:RS）的强度,表明Cu置于AS侧有利于提高接头强度。采用断裂J积分研究了接头的断裂倾向,结果显示,接头的性能会受到裂纹位置、尺寸以及角度等多种因素的影响,其中根部未焊合区在受拉力作用下会产生严重应力集中,削弱接头性能,并且随着根部未焊合尺寸的增加,尖端处应力集中程度急剧上升。考虑到焊接过程中异种金属混合对产热的影响,建立了针对Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊的热-力直接耦合的有限元模型（Finite Element Model,FEM）。计算结果显示,搅拌摩擦焊的非对称性导致了RS侧与AS侧金属的受力情况存在明显差异,造成材料的变形产热出现差异,致使RS侧温度高于AS侧约15℃;Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊温度场受材料性能和搅拌摩擦焊过程的影响,呈现出明显的非对称性特征,在参数相同的情况下,Cu置于RS侧时,Cu、Al的最大温差为54℃;Cu置于AS侧时,Cu、Al的最大温差为67℃,温差波动达到19.4%。此外,搅拌头偏置量会对Cu/Al异种金属温度场产生影响,当搅拌头向Al侧偏置时,能够降低热量散失,提高热源的利用率。研究了搅拌摩擦焊过程中的金属流动行为,结果显示,同种材料搅拌摩擦焊过程中,Al的应变速率为2s-1,Cu的应变速率为1.8s-1,而Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊过程中,Al的应变速率为1.7s-1,Cu的应变速率几乎为0s-1;为此分别研究了轴肩和搅拌针对异种金属流动的影响,并建立了Cu/Al异种金属搅拌摩擦焊金属流动模型,结果表明,Cu主要在Al的带动作用下完成的转移,实现了异种金属的流动成型。对Cu/Al异种金属冶金区域研究时发现,冶金结合区主要出现在异种金属结合界面处以及异种金属混合区内,其中异种金属结合界面处形成了Cu Al2+Cu9Al4的层状冶金结合区,混合区内形成了三种不同形式的冶金复合结构,其结构受扩散过程与Cu颗粒尺寸的影响,随着Cu尺寸的增大,Al原子不能完全扩散进入Cu中,其冶金区组织变化依次为Cu Al2、Cu Al2+Cu9Al4、Cu Al2+Cu9Al4+Cu。对Cu、Al元素的扩散行为研究时发现,两种元素的实际互扩散深度4.92μm大于计算值理论计算值2.47μm,元素的扩散行为除受到热致扩散的影响外,还受到搅拌摩擦焊的强塑性流变过程的影响,最终导致实际扩散深度大于理论值。基于搅拌摩擦焊具有的自填充和搅拌破碎的特性,采用错位重置工艺对Cu/Al异种金属接头内部缺陷进行修复,并完成对异种金属混合区组织的再次细化,达到强化目的,结果表明,接头内部缺陷能够被完全修复,接头抗拉强度由60.5MPa提升至155.6MPa,达到了工艺试验中接头的最优强度;而错位重置过程促使Cu、Al原子再次扩散,冶金结合区域的IMCs厚度有所增加,冶金结合区结构由初始的Cu Al2+Cu9Al4组织演变为CuAl2+Cu Al+Cu9Al4组织。
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