金属板材冷压焊工艺试验(毕业论文).doc

毕 业 论 文 作 者： 学 号: 学 院： 材料科学与工程学院 系(专业): 焊接 题 目: 金属板材冷压焊工艺试验 指导者: 教授 评阅者: 年 6 月 8 日2 毕业设计（论文）中文摘要金属板材冷压焊工艺试验摘要：冷压焊是在室温下，借助压力使待焊金属产生塑性变形而实现固态焊接的方法。通过塑性变形挤出连接部位界面上的氧化膜等杂质，使纯金属紧密接触，达到晶间结合。本试验对铝/铜和铝/铁两组材料进行了冷压连接，压下率分别为50%、55%、60%、70%和50%、50%、60%、65%。通过连接板材的剥离试验，发现65%压下率为Al/Cu板材连接的临界变形量，60%压下率为Al/Fe板材连接的临界变形量。本文研究了铜铝及铁铝异种金属间冷压焊的焊接工艺及焊缝组织状态的分析。初步得出结论为：随压下率的升高，界面有效结合（由表面硬化层破裂促使界面金属的相互嵌入）区域增加，增大了界面结合强度。由于塑性变形促使异种金属原子间形成金属键，从而达到连接的效果。关键词：冷压焊 异种金属 铜铝 铁铝 压下率 毕业设计（论文）外文摘要Title Sheet metal cold welding process test AbstractThe Cold welding is a method which is at room temperature, with the aid of pressure to achieve solid state welding to weld metal plastic deformation. The aluminum/copper and aluminum/Iron clad sheet was manufactured by cold pressing composite method, and reduction rate in thickness are 50%,55%,60%,70% and 50%,55%,60%, 65%. Through clad sheet peel test result , it is showed that 65% reduction rate in thickness is threshold deformation of Al/Cu clad sheet, 60% reduction rate in thickness is threshold deformation of Al/Iron clad sheet.This paper studies the copper aluminum and iron and aluminum cold welding between dissimilar metals welding process and weld organization state analysis. Preliminary conclusions are: with the reduction rate increasing, effective interface (mutually embedded by the surface hardened layer of the interface of metal rupture) region expanded, and the interface bonding strength enhanced. Cause plastic deformation of dissimilar metallic bond is formed between the metal atoms, so as to achieve the effect of the connection.Keywords： cold welding Dissimilar metal Copper and aluminum Iron and aluminum reduction rate目 录1 绪论11.1 金属冷压焊的发展及优缺点11.1.1 冷压焊的发展11.1.2 冷压焊的优缺点11.2 冷压焊的应用及研究21.2.1 冷压焊的应用21.2.2 冷压焊的研究目的与意义31.2.3 冷压焊的研究现状31.3 冷压焊的发展方向52 板材冷压焊连接实验52.1 冷压焊试验装置52.2 冷压焊试验材料62.2.1 试验材料的热处理72.2.2 冷压焊试件的表面要求82.3 冷压焊的焊接工艺参数92.4 冷压焊试验影响因素92.4.1 试件表面情况的影响102.4.2 焊接压力的影响102.4.3 约束模具的影响102.5 冷压焊试验过程102.5.1 准备待压试件112.5.2 待压试件的表面清理112.5.3 试件的冷压试验112.5.4 制备金相122.6 观察与采集金相照片143 试验结果分析153.1 金相分析153.2 过程分析15结论17参考文献18致谢19- 7 -1 绪论1.1 金属冷压焊的发展及优缺点1801年英国人H. Davy发现电弧至今已有两百多年的历史了，直到19世纪80年代，焊接还只用于铁匠锻造上。两次世界战争加快了工业化的进程，从而对现代焊接的技术快速发展产生了影响。常用的焊接方法电阻焊、气焊和电弧焊在一战之前就已经有了，但20世纪初期，机械制造和修理领域中占有主要地位的是气体焊接切割，不久之后电焊便受到了世界的认可。1.1.1 冷压焊的发展二战时期，英国研究领域就已经涉及金属冷压焊的工艺技术，并将这一方法引入实际生产中。1953年冷压焊由美国人 Hunt 发明，从此冷压焊作为一个学术名词进入了焊接的研究领域。冷压焊属于焊接方法的一种，这一方法相对其他焊接技方法还比较年轻。如今，世界对于冷压焊的界面的结合机理的研究大多处在抽象的理论水平上，现有的理论中已被实验所证明的冷压焊成型理论模型是由丹麦的C clemensen ,O Juelstorp 和 N Bay 等提出的。这一理论已经被各国学者所接受了。随着社会科技的发展冷压焊作为一种新型的固态连接技术，在焊接过程中不需要熔化基体，很好地避免了熔化焊时因熔化造成的孔隙 、微裂纹 、变形等缺陷。另外，在冷压连接过程中不需要保护气体和填充材料，而且具有零烟尘和飞溅、工艺简单、高效率、能耗小、接头综合性能优异等特点 。因此冷压焊也被认为是一种非常好的 “绿色环保”的焊接工艺。1.1.2 冷压焊的优缺点对比冷压连接和热压连接的结合界面的性能可知，冷压连接方法获得的结合界面的综合性能强于热压连接。金属连接中界面附近应避免产生硬度高，塑性差的相或显微组织；或物理性能差异较大的金属，避免在热压焊产生脆性的金属间化合物。而冷压连接在室温下进行，很好的解决了这些问题。如表1.1冷压连接由于其特殊的工艺条件，具有自己独特的优点。表1.1 冷压焊优缺点对比优点缺点(1)常温下连接，不需要热源，设备简单。(2)工艺参数主要由材料性能、工件及模具尺寸确定，故易于操作和自动化，生产率高，成本低。(3)正常情况下，冷压连接不会添加其它的辅助材料，接头不会引起腐蚀。(4)连接部位无明显温升，材料结晶状态不变，适于异种金属和用常规的热焊方法无法实现连接的一些金属材料和产品。(5)在热压连接界面结合区经常出现的软化区，热影响区和脆性金属中间相不会出现在冷压连接界面部位。(6)界面结合质量好，机械强度、导热、导电性能都优于其它方法所连接的界面。(1)由于受到巨大的压力冷压连接结合处变形量大，搭接的接头会产生压坑，影响工件表面。(2)冷压焊设备具有局限性，因此试件在搭接和对接时不能有过大的板厚和断面。同时约束模具的原料材质也限制了工件硬度的大小。(3)有些异种金属的冷压接头只适合在温度较低的环境中工作，例如铜和铝的接头会在高温环境下产生脆性化合物从而降低了街头的塑性和导电性。1.2 冷压焊的应用及研究作为固态焊接方法之一的冷压焊在常温下既没有外部的热源输入也没有外加电源的环境下对金属工件给予巨大的压力，进而使工件产生了塑性变形，最终实现稳固的连接。因焊接过程中最大的特征是产生塑性变形，故又称为变形焊。1.2.1 冷压焊的应用现如今在全球经济不断增长的大环境下，科技作为社会进步的领头羊飞速发展。同时，焊接技术水平也在科学技术力量的推动下向着自动化、无污染、高效率、高质量等方向发展。由于人类涉及材料连接的领域越来越广泛，焊接技术的发展已经与人们的生活息息相关，越来越多的焊接方法得到研究与发展。在众多的焊接方法中冷压焊技术开始受到重视。众所周知，不论是家居、机械加工制造等领域又或者是航空航天领域都离不开电子工业和电气工程技术的应用。然而在这些需要焊接技术的领域中应用最多的便是冷压焊，因为冷压焊工艺可以大大降低生产成本以及保证较高的质量。这些领域中的设备零件往往需要耐高温、耐高压、耐蚀等优点，然而单一的金属材料大多时候很难满足这些要求，有时候甚至需要两种或者多种材料连接在一起才能满足要求，其中异种金属的连接所产生问题是所有研究者们不得不去面对的事。用什么样的连接方法才能保证异种金属连接的质量是研究者们心中最大疑问，在不断的研究与发展中人们发现最适合异种金属连接的方法就是冷压焊。在某些条件的允许下冷压焊还很适合Cu、Al、Ag、Ni、Ti、Sn、Zn、Cd、Au、Pb及其合金等不会产生快速加工硬化并具有良好的塑性变形能力的金属，它们之间的任意组合，包括液相、固相不相溶的非共格金属组合，也可进行冷压焊。冷压焊由于设备简单、易操作、无填充材料、节能环保；约束模具的尺寸决定了主要的工艺参数，因此易自动化、质量高、成本低；不使用焊剂，增强了接头的耐腐蚀性；焊接头不会产生高温，可以应用于融化焊所不能完成的材料焊接。在电气、铝制品、航天领域冷压焊已经成为必需的连接方法之一。1.2.2 冷压焊的研究目的与意义随着科技的发展各种焊接方法日趋成熟，而对于很多材料需要特殊的焊接方法才能满足工艺要求。对于某些生产中常用并且已经趋于成熟的焊接技术有时候却无法满足工件对于耐温、变形少等要求，所以冷压焊渐渐进入人们的研究领域，我们要努力创新发展目前并不成熟的冷压焊压接工艺。本研究的主要目的就是通过对异种金属能否进行冷压连接进行实验探讨，设计和制定出能较好的使异种金属结合在一起的冷压焊工艺，以及在工件实现牢固连接的前提下观察与分析金属的结合面及焊缝附近母材的金相组织，进而分析和研究通过冷压焊工艺达到稳固连接的异种金属接头的微观连接机理。并通过选择不同的工艺参数，使具有不同冶金性能金属形成接头，并对组织界面结合的微观形貌进行分析；对不同金属甚至不同材料结合面的连接机制进行探索；最终能达到优化焊接方法及发展冷压焊工艺，使其应用到更广泛领域的目的。现如今科学技术的不断发展使得冷压焊的应用范围越来越广泛，冷压焊接在国外已普遍推广使用，尤其是在欧洲、美国和其他发达国家。在国内随着近几年经济、工业快速增长的环境下冷压焊已经逐渐被应用到部分的生产中，尤其在电子电气、电线电缆等行业中最常用的焊接方法就是冷压焊，它具有广泛的发展前景。因此进行金属板材冷压焊工艺的研究以及制定出各个板材焊接时合适的焊接工艺具有重要的理论意义和实际生产价值。1.2.3 冷压焊的研究现状冷压焊出现至今以其工艺上的显著特点，在世界上工业比较发达的国家得到了焊接研究者们的重视。因为在压接的过程中压力很大，搭接接头的工件表面焊后产生较深的压坑，因此在某些领域上受到了局限。目前，很多高等院校、研究中心以及机械制造公司都在发展冷压连接工艺的研究项目，期望能将该技术更加广泛的应用于大型交通工具的制造以及人们日常的使用中。为国家的科学技术发展事业作出最大的努力。改革开放至今，我国各个领域都在追赶世界先进水平，这其中电缆领域要解决的重要问题之一就是导线焊接接头，为了使国内产品与国际接轨，我国接头额生产开始采用国际标准，因此这就需要我们改变现有的焊接技术，然而在电缆和电线的焊接技术领域中，冷压焊占有非常重要的地位，冷压焊是一种适应社会科技发展的焊接方法，不但节省时间，提高效率，而且提高了产品质量。国内一些公司开始熟悉和使用冷压焊机，但并没有达到普及的程度，比亚迪股份有限公司发明了一种焊极不会被焊接残留物粘结的冷压焊丝机，大连造船厂大力开发冷压焊技术。目前各国的研究者们对研究冷压焊连接机理相关方面的工作已经做了很多了。而在我国大部分的研究者坚持的理论是无扩散理论，我国的学者们认为冷压连接中没有原子的扩散，不同材料主要是由晶间结合作用而连接的。全世界学者已经提出了很多关于冷压焊连接机理的观点，具有代表性的有以下几种：再结品理论:在冷压焊时,由于存在较大的塑性变形，因此金属间形成稳固连接的条件是发生了再结晶过程。,金属产生的大量塑性变形,在较高温度的作用下会使金属接触界面两的晶粒形成无畸变的被两金属共有的共同新晶粒,这一过程使得两金属得以结合在一起。薄膜学说：冷压连接的焊接性决定于被焊工件表面的状态。只需去除金属工件表面形成的氧化膜和残留的油污，在塑性变形的驱使下，使结合面的金属间达到原子间的距离，最后便可以形成化学键使接头稳固连接。位错学说：位错学说的内容是两个相互接触的金属在压力作用下会产生产生协调一致的塑性变形，此时金属的接合面处会存在着大量的位错，而这些处于金属结合处表面的位错，使得表面非常不平整，这一切都会促使金属间形成良好的接头。扩散理论：冷压焊接的金属结合面的附近会形成薄薄的一层扩散区，与众多焊接方法一样，由于金属间的扩散作用使他们形成固溶体、金属化合物等，因此增强了金属间的结合强度。能量学说：有外国学者认为，金属原子间的结合存在着一定的能量门槛。在金属由于被压而紧密的接触时，仅仅靠距离的接近是无法形成金属键的，只有原子所含有的能量（变形激活能）超过金属结合所需要的能量门槛时，在接触面处就开始形成金属键，从而使他们稳固的结合到一起。以上各种假说都有其合理的部分，同时也有其不足的地方。整体来说，没有一个理论可以全面的解释冷压焊中出现的所有问题。但是每一个理论在解释问题的某一个方面时又有其成功之处。因此，我们说这些理论只是反映了事物本质的某一个方面，因而是不全面的，有待我们进一步去完善。1.3 冷压焊的发展方向在工业化的发展环境下各个领域都向着自动化、电气化的方向迈进。尤其电气行业可以说是渗透到了生活中的各个方面，例如：电气自动化的生产车间、大型车辆设备、全国的供电输电系统及材料、电视，电冰箱等家居产品。冷压连接无疑是起到了非常大的作用，以其设备简单、操作简单、高质量等优点在我国的航空航天事业以及军事领域中崭露头角。由于各行业的需求各有不同，对冷压焊连接技术的要求也在提高。因此在未来冷压连接需要在以下方面得到进步。总结如下： 1.全自动化的冷压设备将会取代半自动化的冷压设备，电子数控冷压焊将会更加精确的制定焊接工艺参数。 2.由于传统的熔化焊修补材料的方法会影响材料的性能，冷压焊将会在金属材料的修补领域得到发展。 3.在未来冷压焊会越来越普遍化，所以冷压焊设备会向着小型化、便携化、工作地点多元化等方向发展。2 板材冷压焊连接实验2.1 冷压焊试验装置如图2.1为本试验所使用的一套冷压焊设备。冷压连接设备整体主要包括施压部分、约束装置和液压部分。为使待连接试样达到一定的变形量，需要液压机构对压头顶压。图2.1为立式冷压焊设备，包括立柱、丝杠、三爪卡盘、液压缸和约束装置。如图2.2所示，约束装置包括挡板、垫块和压头，约束装置安放在四根丝杠所固定的横板上。图2.1(b)所示为液压装置，包括手动液压阀、压力指示器和换向阀。通过调节换向阀，在手动液压缸的作用下向压头施加冷压连接时所需压力，其数值的大小由压力指示器显示。待达到了一定的变形量时，松开三爪卡盘，并调节换向阀，在手动液压阀的作用下，三爪卡盘复位，为下次的冷压连接做准备，此时完成一个周期。 图2.1 冷压焊设备 (a)施压部分和约束装置, (b)液压装置冷压连接Al-Cu，Al-Fe时，因各组元的硬度，塑形变形能力差别较大，为了使连接板有较好的成型，用自行制作的约束装置来约束板料宽度方向的变形，只产生厚度以及长度方向的变形。图2.2 约束装置立体剖面图2.2 冷压焊试验材料本次试验是对金属板材冷压连接工艺的探究，进而通过冷压的实验金属固态连接处的结合机理，最终能制定出合适的焊接工艺。本次试验选取了常用的金属如Al、Cu、Fe金属板材。如表2.1、表2.2和表2.3分别为试验所用材料的力学性能与物理性能。表2.1 试验材料力学性能材料抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%弹性模量/MPaAl125253670000Cu215.05050128700Fe47017740210000注：力学性能均为退火态(除Al)表2.2 各种金属材料冷压焊的最小压缩率材料铝铜铁铝与铜铝与铁压缩率（）6086928488表2.3 试验材料物理性能金属熔点/密度/(gcm3)线膨胀系数/(10-6K-1)成分Al6602.724铝含量为98.8%99.7%，主要杂志是铁和硅Cu10838.9216.6铜含量为 99.799.95%；主要杂质元素：磷、铋、锑、砷 、铁、镍、铅、锡、硫、锌、氧Fe15007.8611.76碳 C ：003硅 Si：100锰 Mn：200 硫 S：0030磷 P：00352.2.1 试验材料的热处理考虑到Al、Cu、Fe材料之间硬度以及塑形能力的差别，为了实现冷压过程中各层材料能够达到协调一致塑形变形的目的，以及达到良好的连接效果的目标，就需要协调材料之间性能的差别，对Cu、Fe材料进行软化退火处理。在冷压连接前对铜、钢金属分别进行了550，1h和920，1.5h的软化退火热处理，软化退火后不仅消除了材料的残余内应力，而且降低了材料的硬度，提高了材料的塑形变形能力。2.2.2 冷压焊试件的表面要求冷压焊工艺要求在冷压焊过程中金属表面应该具有良好的待焊状态，包括被焊表面的清洁度和粗糙度。工件的表面状态对冷压焊的结合性能具有重大影响。图2.3为一般金属待焊表面状态示意图。104 3005-3020-100图2.3 金属表面的结构示意图污染物层：包含普通污染物层和吸附分子层。该层由一薄层的水分和油脂组成。对于该层目前最佳的清洁方法是使用化学和机械联合清理的方法。通过仔细的清理，此层在焊前能够被完全除去。金属氧化膜层：全部的金属除了金以外，在室温下都会产生氧化层。大多数金属在室温下形成的氧化层的极限厚度能够达到20-100。表2.3为空气中，几种金属表面氧化层厚度与停留时间之间的关系。表2.4 氧化膜厚度与时间的关系/单位金属1/min60/min1440/minFe202433Cu3350150Al2080100由上表数据可知，在空气中金属氧化层的形成速度是极其迅速的，我们不能够期望在焊前将焊件待焊表面的氧化膜完全去除。空气中氧化膜的厚度会随着在停留时间的增长而增加，所以必须把清理完毕的试件在1分钟之内进行冷压试验。2.3 冷压焊的焊接工艺参数焊接压力焊接压力是致使试件最终连接的能量的直接来源，同时也是冷压焊中最重要的工艺参数之一。压力经过压焊设备的顶头施加到试件的表面，所以冷压连接的压力与焊接材料的结合面的面积有关。整个冷压连接过程中，试件会受到约束模具以及材料本身产生硬化的作用增大单位应力。在连接后期，随着试件的变形两工件的接触面积变大，所以冷压后期就需要比开始时更大的压力。如表2.5列出了一些金属冷压连接时的压力值。表2.5 搭接时单位面积冷压焊压力值材料铝 铝铝 铜铜 铜铝 铁压力（Mpa）750-10001500-20002000-25002000-2500 顶压次数达到合适的压缩量是完成冷压连接的重要一步，而最终的压缩量并不是顶压一次就能完成的。塑性好及塑变硬化小的焊件，压缩量一般不能超过焊件的厚度或是直径，顶压一次即完成连接；而硬度偏大的焊件，压缩量一般不少于工件的厚度或是直径，并且要经过多次顶压后才能完成焊接。冷压焊连接时对大部分的工件的顶压次数最好不要多于三次。冷压焊时最小压缩量与顶压次数的关系如下表。表2.6 压缩量与顶压次数的关系材料名称每一工件的最小总压缩量顶压次数圆形件（直径d/mm）矩形件（厚度t/mm）铝与铝（1.6-2.0）d（1.6-2.0）t2铝与铜铝（2-3）d、铜（2-3）d铝（2-3）t、铜（2-3）t3铜与铜（3-4）d（3-4）t32.4 冷压焊试验影响因素在冷压连接的过程中，两金属之间被压接达到某一数值的原子间距时便会产生原子之间的连接。在这一过程下试件的表面情况、塑性变形率、顶端压力、约束模具等是影响冷压连接整个过程以及结果的主要因素。2.4.1 试件表面情况的影响试件的表面总是存在着一些杂质和氧化膜，所以只有保证试件之间相互接触的地方的洁净常温下的压接才能正常进行。其中氧化膜在巨大的压力下会形成一层很细的薄膜，在挤压过程中这层膜很难被排除连接面。由此看出表面的洁净情况直接影响到了试件的连接，如果在真空的环境下可以不考虑氧化膜的影响。另一个对结合有一定影响的因素就是试件表面的粗糙度。对一般的试件而言粗糙度并没太高要求，只有试件的变形率不超过20%时，试件的表面会被要求具有较小的粗糙度。正常的金属试件表面并不是光滑的，在微观下试件的表面上都是凹凸不平的金属点，这些凹槽与凸起在连接过程中会增加金属试件连接面的面积，从而使达到稳固连接的面积增大2.4.2 焊接压力的影响 冷压焊顾名思义压力就是这个焊接方法的重点，所以焊接压力的大小决定了试件质量的好坏。试件搭接时，压力偏大会导致试件的断裂以及底层金属严重变形甚至被压透，最终试件被破坏。试件对接时，材料受到压力导致弯曲变形的不适合冷压连接，因为压力增大很可能回事试件发生折断。无论是什么样的接头形式，过小的压力都会是冷压连接面不能形成稳固的结合面，即无法完成真正意义上的焊接。2.4.3 约束模具的影响 冷压焊的试件结合面积和形状都受限于焊接约束模具的形状大小，因此冷压连接中约束模具决定了最终产品接头的机械性能以及最终的连接质量。正因如此，从某些方面来说冷压模具限制了冷压焊的发展，模具的大小必定具有一定局限性，从而使得冷压机械设备在实际应用中的广泛性并不是很高。2.5 冷压焊试验过程由于课题研究需要，一方面为了在不影响试验结果的前提下尽量的减少材料的浪费；另一方面考虑到当今世界发展中各项技术都在朝着减少设备重量、节省原材料、控制成本等方向前进，所以本次实验我们选择了做两组，一组是铜铝异种金属的冷压焊，另一组是铝与超低碳钢之间的冷压焊。因为实验过程几乎完全相同，因此以铜铝异种金属冷压焊的试验过程为例。首先将试验装置装配好，金属表面经过清洗、去除氧化膜之后，立刻叠放在一起，并将其放入装置中，然后将自制的装置安放在支撑板上，为保证压力在均布施加在压头上，必须使其中心与液压立柱的中心位于一条直线上。安放完毕之后，立刻进行冷压焊试验。冷压焊的连接试验主要分为准备待压试件、待压试件的表面清理、试件的冷压试验、制备金相、观察与采集金相照片五大步骤，下面将会分别对其实验的步骤详细说明。2.5.1 准备待压试件综合考虑课题要求、试验设备、原料成本、试验时间等因素，最后选择将试件加工成合适的尺寸。试验用的铝为纯铝板，铝的厚度有两种尺寸分别为1mm和3mm，其长度和宽度分别为20mm18mm；试验用的工业纯铜，尺寸为20mm18mm1mm；试验用的铁为超低碳钢，尺寸为20mm 18mm 3mm。2.5.2 待压试件的表面清理由于冷压焊是将工件压紧并达到原子间的结合，所以被焊金属表面状态必须较好,通过2.2.2的介绍我们可以清楚的了解到这一步是非常重要的。首先，用丙酮溶液在超声波清洗器中清洗待连接工件表面的油污，之后用纯酒精清洗工件的表面，最后获得洁净的表面。当表面上的油污清理完毕之后，立即用如图2.4的钢丝刷打磨工件的表面。打磨处理后不仅在表面上形成了一层加工硬化层而且增加了表面的粗糙度。一方面加工硬化层在外力的作用下会迅速破裂，另一方面表面粗糙度的增加会加大接触表面金属的塑形变形。图2.4 清理试件用的钢丝刷2.5.3 试件的冷压试验将清理好的具有一定尺寸的板材叠放在一起后进行锻压，然后对压件采用多次压接，不同的压件所受的压力不同，如Al/Cu压接时，采用三次的压接，每次压接时作用在压接面上的应力分别是350MPa、700MPa、1050MPa，同样Al/Fe的压接面也是如此，之后旧界面与新界面共同组成了冷压焊搭接的焊接界面。在此压焊工艺中确保金属具有一定的延展率，才可以获得良好的焊接效果。由于此焊接工艺所使用的焊接设备可以小型化，因此该工艺在现实生产中应用极其广泛。图2.5为冷压焊连接接工艺的焊接原理简图。图2.5 金属冷压连接示意图试件压接完成后对试件进行扩散退火。扩散退火工艺：退火温度分别为300、400、500；保温时间为半小时；采用空冷冷却方式。等温扩散退火处理的目的一方面是间接证明明连接界面原子间的距离达到了原子间作用的范围，另一方面促进原子的互扩散，当界面不出现硬脆的金属间化合物时，可以实现增大和稳定结合区的作用。2.5.4 制备金相由于压接后的试样较薄，不便于在砂纸上磨擦及后续的抛光，所以要先使用金相试样镶嵌机对其进行镶嵌，待镶嵌结束后，在三张不同粒度的砂纸上进行磨光，然后进行抛光，抛光后4%的硝酸酒精中浸蚀，烘干后等待下一步的观察。2.5.4.1 试样的镶嵌通过砂轮机打磨经热处理后的工件试样，使其纵面得到一个矩形小平面，以便于镶嵌试样；开通电源，让温度升高，在操作前应该及时去除上下模块上的电木粉末；待温度达到设置的130度时，调节手轮，此时上模和下台是平行的，然后把试样待观察面向下放在下模，转动手轮，使下模及样品下沉。加入填料，使其与下平台平行，然后把上模压在填料上；合上盖板，迅速转动八角旋钮，使八角旋钮上的螺杆顶在上模。紧接着马上转动手轮使下模往上移动看到压力灯亮后停止，必须再多转动一圈。在制备试样过程中，如果压力灯熄灭，必须立刻加压直到看到压力灯亮起，并多转动一圈；让试样在设备中合适的温度下保持5分钟，直到试样镶嵌完成；取样的过程：泄压到指示灯熄灭，然后使上模顶出，顶至上模下边缘与下平台平行，将上模脱开，然后按同样的方法把样品取出即可；将镶嵌好的试样在砂轮机上进一步打磨，使圆柱的正面暴露出的矩形面积足够大，使圆柱的背面保持平整，以便于观察金相。2.5.4.2 试样的打磨与抛光金相试样是经过热处理后的镶嵌得到的试样。试样先用砂轮打磨去掉表面约2以除去氧化层、磨平、倒角，在一侧测试硬度（所用设备为维氏硬度计），另一侧用500#1000#四道水砂纸手磨，之后在抛光机上进行抛光，然后用4硝酸酒精溶液进行腐蚀，腐蚀时间为15到20秒，浸蚀后试样立即用水冲洗干净，再用酒精冲洗干净脱去水分，然后在热吹风机下吹干试样，最终如图2.6试样制作完毕。图2.6 金相试样 (a)Al/Cu试样, (b)Al/Fe试样2.6 观察与采集金相照片冷压连接接头的性能是由它自身的微观属性决定的。所以我们只有对试件进行金相分析才能进一步了解和探究冷压连接的机理，通过微观实际所呈现出来的情况来判定此次试验是否达到了预期的效果。以下便是这次试验所采集到的金相照片。图2.7 200倍的显微镜下，铁铝试样接头的微观图 图2.8 40倍和100倍的显微镜下，铜铝试样接头的微观图3 试验结果分析 由于本次试验我们采用的是常温下静压力法对被焊试件施加压力，金属试件会产生塑性变形，而不会像锻压那样产生大量热量。查阅资料之后了解到在有浓度差但无较大热能的情况下，金属间不会产生扩散，因此试验的过程中基本不会产生大量的金属化学物。由此可以认为冷压焊的结合能全部来自于金属受到压力后产生的塑性变形能。3.1 金相分析通过图2.7、图2.8我们可以看出异种金属在冷压连接时，金属表面不可能绝对的平整，所以开始接触时只是部分较突出的地方接触，随着不断的增加的压力，初期相互接触的地方就会发生塑性变形。观察上图就能发现其结合面两侧的铁和铝，及铜和铝的晶粒组织均发生了滑移和变形，此时位于低位置的地方也可以接触到。之后伴随着压力的继续增大，金属表面的接触面积会不断的增加直至形成牢固的结合面。本试验对铝/铜和铝/铁两组材料进行了冷压连接，以上金属组配的压下率分别为50%、55%、60%、70%和50%、55%、60%、65%。通过结合界面剥离试验的验证，在65%和70%的压下率下铝/铜连接板得到了良好的连接，铝/铁连接板在60%和65%的压下率下得到了良好的连接。在冷压连接前，由钢刷处理过的组元表面形成了一定的表面粗糙度，待连接试件界面形貌呈凹凸不平的波纹状，在冷压焊初期一开始金属表面就有凸点与凸点这一形式的接触，但在实际接触条件中，结合面上的每个凸起上又有许多微凸起，它们之间也会发生相互作用由于在冷压焊中所施加的压力较大，一般要高出屈服应力许多倍。特别是在凸起点所受单位压力会更高。这样在巨大的压力作用下表面加工硬化层优先破裂的地方发生在凸点与凸点相互接触的部分，同时使相对软的纯金属从裂缝中挤出且嵌入对方已形成裂口的基体形成物理接触，在巨大的压力下金属无限接近达到原子间力的作用范围内时，就形成了牢固的连接。随着压下量的增大，嵌入部分受到的压力高于了其压缩塑性极限，以致被压溃压平，由此裂纹的宽度变大，最终形成了更大的结合面积。3.2 过程分析从冷压连接的过程来看，实现结合需要两个阶段，一是，金属表面氧化膜的破裂；二是，相互接触的纯金属达到原子间的作用范围。然而这两个阶段发生的前提是在巨大的压力下产生大量塑性变形。压接过程中发现接近焊缝处晶粒尺寸较小，远离焊缝的组织均匀，晶粒尺寸相对较大，接近焊缝处的铝金属晶粒沿焊缝纵向尺寸远大于沿焊缝横向尺寸，而远离焊缝的位置，铝金属晶粒是较为均匀的等轴晶，可以推断在焊接过程中，接近焊缝处铝金属晶粒由于受压而发生了变形。上述现象可以认为晶粒的变形和滑移是由于金属被挤压产生大量塑性变形时形成的。由于靠近缝区处的金属晶粒组织结构在压力作用下,不断的发生着塑性变形，其晶粒尺寸变得越来越小,接触面积很大，堆积的很密集，因此处于这块区域的金属组织的强度和韧性均较高。观察可以看出在冷压焊工艺下，两金属压接接头处并没有出现较多的界面产物。分析认为，这是因为在冷压压接过程中,热能及其他能量不足，使得其大范围出现界面产物的能量要求不能得到满足。综上我们可以认为金属冷压焊连接的原理主要是基于两方面，一方面，在冷压焊压接过程中产生的塑性变量非常大，两金属在巨大的压力和塑性变形下无限接近，当金属原子靠近到一定距离时,他们周围的电子云会进行重新分布,形成金属键；另一方面，冷压焊时由于压力很大，会产生塑性变形，此时的晶粒会持续的细化,因此两种金属接合面处的晶体会不断靠近，当达到原子引力的距离时,处于结合面处的金属原子会产生键和力。结 论异种金属冷压焊过程中，两金属间在外界压力下通过协调一致塑性变形,挤出连接部位界面上的氧化膜等杂质，同时伴随着两异种金属界面处晶粒的细化,使得金属结合面处的接触面积不断增大,并且晶粒无限接近达到原子尺寸级别。而如此近的距离破坏了原来原子中的电子云分布，使原子中的电子发生了迁移及重新分布,达到新的稳定的状态。从而实现了金属间的稳定连接，这便是异种金属冷压焊的微观结合机理。由Al/Cu和Al/Fe冷压连接过程中试件变形规律发现，在冷压连接过程中，随着压下量的增大，各组元之间变形量的差异由大变小，两组元金属的变形