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铝合金/不锈钢异种金属热丝TIG熔-钎焊组织与性能研究

作　者: 彭康
导　师: 杨春利
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料加工工程
关键词: TIG熔-钎焊 铝合金 不锈钢 高频感应 热丝 温度场
分类号: TG407
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


铝合金具有质轻、耐腐蚀等优点，而钢又是目前应用最广的金属材料，二者的复合结构能充分发挥各自优势，在航空航天、交通运输等领域具有很光明的应用前景。但铝和钢之间的有效连接一直是焊接领域中的难点问题，二者之间固溶度低，热物理性能相差大，尤其是一系列脆性金属间化合物使铝和钢的冶金结合变得困难，且会导致接头性能严重下降。近年来，电弧熔-钎焊以其便捷、高效的特点而具有其他焊接方法所不具有的优势。要获得高质量的TIG熔-钎焊接头最关键问题就是要控制铁铝金属间化合物的生长，控制热输入则成为最直接有效的方法。本文提出通过采用热丝来减少铝合金-不锈钢钎焊界面热输入、控制金属间化合物、改善接头力学性能的思想，以期获得成形及性能更为优质、稳定的接头。基于高频感应加热理论，构建了铝合金高频感应热丝系统，实现了铝合金焊丝不同直径、不同送丝速度、单丝和双丝的高效稳定加热。本加热系统可将焊丝加热至室温与熔点之间的任意温度，加热效果持续稳定。将铝用无腐蚀钎剂Nocolok与一定比例的高纯铝粉混合，并配以少量粘结剂，研制出了更适于铝-钢熔钎焊的特种钎剂，解决了铝合金-不锈钢熔钎焊过程中钢侧润湿铺展不稳定的问题。分析对比了钎剂中不同铝粉含量下接头的力学性能，发现在保证成型稳定的前提下，钎剂中铝粉含量为50wt.%时接头力学性能最佳，并进一步揭示了铝粉促进钎料润湿铺展的作用机理。研究对比了冷丝、热丝情况下铝合金/不锈钢TIG熔-钎焊接头的微观特征及力学行为。SEM、EDS、XRD及TEM研究结果表明，采用冷丝或热丝界面层均由Fe4Al13相构成，但采用热丝时化合物厚度明显减少。采用440℃单热丝时，接头平均抗拉强度由冷丝时的114.5MPa提高到163.4MPa，接头力学性能稳定性提高。在单热丝的基础上，开发出了一粗一细、一高一低的双热丝TIG熔-钎焊工艺，焊缝成形及接头性能更为稳定优良。采用MARC有限元软件分别模拟了冷、热丝条件下铝/钢钎焊界面温度场分布，结合化合物生长的热力学和动力学条件，揭示了热丝影响铝合金-不锈钢熔-钎焊接头组织和性能的作用机理。分析表明，热丝TIG熔-钎焊采用较小电流即可实现二者有效连接，界面峰值温度降低，液-固反应时间缩短，进而金属间化合物生成量减少，接头强度提高。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-22
  1.1 课题研究目的与意义  9-10
  1.2 铝/钢异种合金的焊接性  10-11
  1.3 铝/钢焊接的研究现状  11-18
    1.3.1 铝/钢钎焊  11-12
    1.3.2 铝/钢固相焊  12-15
    1.3.3 铝/钢熔-钎焊  15-18
  1.4 铝/钢界面反应研究进展  18-21
  1.5 课题主要研究内容  21-22
第2章 实验材料、设备与方法  22-31
  2.1 实验材料选择  22
  2.2 实验平台  22-28
    2.2.1 焊接设备  22-23
    2.2.2 单丝感应加热设备  23-26
    2.2.3 双丝感应加热设备  26-28
  2.3 实验方法  28-31
    2.3.1 TIG 熔-钎焊过程  28
    2.3.2 焊接热循环测量  28-29
    2.3.3 分析测试方法  29-31
第3章 单丝接头结构特征与力学行为  31-38
  3.1 铝/钢单热丝 TIG 熔-钎焊接头结构特征  31-35
    3.1.1 铝/钢单热丝 TIG 熔-钎焊接头宏观形貌  31-32
    3.1.2 铝/钢 TIG 熔-钎焊接头微观组织特征  32-35
  3.2 单热丝接头抗拉强度分析  35-37
  3.3 本章小结  37-38
第4章 双丝接头结构特征与力学行为  38-48
  4.1 双丝用钎剂研制  38-41
  4.2 铝/钢双热丝 TIG 熔-钎焊焊缝成形分析  41-43
  4.3 双热丝接头微观组织特征  43-44
  4.4 双热丝接头力学行为分析  44-46
    4.4.1 接头抗拉强度分析  44-45
    4.4.2 铝/钢 TIG 熔-钎焊接头韧性分析  45-46
  4.5 铝/钢热丝 TIG 熔-钎焊接头断口分析  46-47
  4.6 本章小结  47-48
第5章 铝/钢 TIG 熔钎-焊界面层生长机制  48-58
  5.1 界面化合物生长热力学分析  48-49
  5.2 铝/钢热丝 TIG 熔-钎焊温度场研究  49-55
    5.2.1 网格划分  50
    5.2.2 边界条件及初始条件确定  50-51
    5.2.3 材料物理参数的确定  51
    5.2.4 温度场模拟结果验证  51-55
  5.3 界面层生长行为分析  55-57
  5.4 本章小结  57-58
结论  58-59
参考文献  59-64
致谢  64

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中图分类: > 工业技术 > 金属学与金属工艺 > 焊接、金属切割及金属粘接 > 焊接一般性问题 > 焊接接头的力学性能及其强度计算
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