（材料加工工程专业论文）Allt2gtOlt3gt纤维增强铝基复合材料储能焊研究.pdf

摘要 论文题目：a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料储能焊研究 学科专业：材料加工工程 研究生：雷鸣签名：僵垒 指导教师：翟秋亚副教授 签名：疆盘垂 徐锦锋教授 签名：乏弊 摘要 采用微型电容储能焊机对a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料( 纤维体积分数i l p f = 5 , 9 ， 1 9 ，2 6 ) 进行了点焊连接。分析了接头的组织形态和熔核的形成机制，理论计算了 熔核的冷却速率，探索了a 1 2 0 3 纤维体积分数及焊接参数对接头性能的影响。研究结果 表明： 采用微型电容储能焊机可实现a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料的点焊连接。焊接接头 由熔核、熔合区和热影响区组成。在储能焊接头中形成了规则的扁平熔核，复合材料基 体与熔核金属过渡良好。通过对熔核温度场理论计算可知，熔核凝固时间极短，冷却速 率高达3 7 6 x 1 0 6 i g s ，熔核形成过程具有典型的快速凝固特征。接头组织显著细化，并且 在熔核中出现了富a 1 相和富s i 相，从而形成与m m c s 组织形态不同的基体组织。少量 的a 1 2 0 3 纤维发生了一定程度的碎断，但大部分仍保持其原有的形貌特征，随机地分布 于熔核基体之中。随着m m c s 中纤维体积分数的增加，熔核中纤维的含量也相应增加。 焊接参数对接头的形成具有显著地影响。其中，电极力和电压的影响较大，电容的影响 则相对较弱。a 1 s i 合金在凝固过程中，共晶s i 通常依附在纤维表面形核生长，纤维周 围界面密度增大以及a t 2 0 3 纤维与基体之间的线胀系数差异较大是熔核中显微裂纹形成 的主要原因。适当增加电极压力，焊前对材料进行除氢处理并保持干燥是减小和消除气 孔、提高和改善铝基复合材料储能焊接头质量的有效途径。推荐的焊接参数分别为： 5 t o t m m c s ：u = 7 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ，f = 1 8 n ：9 e p f m m c s ：u = - 8 0 v ，c = 3 3 0 0 1 a f ，f = - 1 7 n ； 1 9 t p f m m c s ：u = 8 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ，f = 1 7 n ；2 6 q o f m m c s ：u = 8 5 v ，c = 3 3 0 0 p f ，f = - 1 6 n 。 关键词：复合材料；a 1 2 0 3 纤维；储能焊；接头组织 西安理工大学硕士学位论文 t i t l e ：s t u d yo nc a p a c i t o rd i s c h a r g ew e l d i n go fa i z 0 3 f i b r er e l n f o r c e da i m a t r l xc o m p o s l t e s m a j o r ：m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g n a m e ：m i n gl e i s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f q i u y az h a i p r o f j i n f e n gx u a b s t r a c t s i g n a t u r e ：必址 s i g n a t u r e ：出i 红 s i g n a t u r e ： n e s p o tw e l d i n go ft h ea 1 2 0 3f i b r er e i n f o r c e da l - m a t r i xc o m p o s i t e s ( m m c s ) ( v o l u m e f r a c t i o no f f i b r e ( p f = 5 ，9 ，1 9 ，2 6 ) i sc o n d u c t e du s i n gam i c r o t y p ec a p a c i t o rd i s c h a r g e w e l d i n gm a c h i n e t h em i c r o s t r u c m r a lm o r p h o l o g yo ft h ej o i n ta n df o r m a t i o no fn u g g e ta r c i n v e s t i g a t e d ，t h ec o o l i n gr a t e o fn u g g e ti s c a l c u l a t e d m o r e o v e r , t h ee f f e c t so fw e l d i n g ：p a r a m e t e r sa n dv o l u m ef r a c t i o no fa 1 2 0 3f i b r eo i lw e l d a b i l i t yo fm m c s a r cr e s e a r c h e d i t i n d i c a r e st h a t ： t h ec a p a c i t o rd i s c h a r g ew e l d i n gc a l lr e a l i z et h ej o i n i n go ft h em m c s u n d e rc a p a c i t o r d i s c h a r g ew e l d i n gc o n d i t i o n s ，ar e g u l a r , f l a tn u g g e t i sf o r m e di nt h ej o i n ta n dt h e m i e r o s t r u c t u r a lt r a n s i t i o nf r o mn u g g e tt om a t r i xi sr a t h e rw e l l a c c o r d i n gt ot h et h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l do fn u g g e t ，i ti sr e v e a l e dt h a tt h es o l i d i f i c a t i o nt i m eo fn u g g e t i sv e r ys h o r ta n dt h ec o o l i n gr a t ei sh i g hu pt o3 7 6 x 1 0 0 k s t h u st h ef o r m i n gp r o c e s so f n u g g e th a st y p i c a lr a p i ds o l i d i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c t h em i c r o s t m e t u r eo fn u g g e ti sr e f i n e d r e m a r k a b l ya n dt h ea 1 - r i c hp h a s ea n ds i r i c hp h a s ea r ep r o d u c e di nt h en u g g e t ，w h i c hr e s u l t s i nt h ef o r m a t i o no fm i c r o s t r u c t u r ed i 低r e n tf r o mt h a to fm m c s af e wo fa 1 2 0 3f i b r e sa r e b r o k e nd o w nt os o m ee x t e n t ，w h i l em o s to ft h e mr e m a i nt h e i ro r i g i n a lm o r p h o l o g y , d i s t r i b u t i n g i nt h e n u g g e tm a t r i xr a n d o m l y t h ec o n t e n to fa 1 2 0 3 f i b r ei nt h e n u g g e ta r e i n c r e a s e dw i t ht h ev o l u m ef r a c t i o no fa 1 2 0 3f i b r ei nt h em m c s t h ee l e c t r o d ep r e s s u r ea n d w e l dv o l t a g eh a v eo b v i o u s l ye f f e c to nt h ef o r m a t i o no fj o i n t ，b u tt h ec a p a c i t a n c eh a sn o o b v i o u s l ye f f e c to ni t d u r i n gt h es o l i d i f i c a t i o no f a l 一s ia l l o y ，t h ee u t e c t i es ia l w a y sn u c l e a t e s a n dg r o w sa l o n gt h es u r f a c eo ff i b r e s ，l e a d i n gt ot h ei n c r e a s i n go fi n t e r f a c ed e n s i t yo f s i m a t r i xn e a rt h ef i b r e s m o r e o v e r , t h ed i f f e r e n c eo fl i n e a re x p a n s i o nc o e f f i c i e n tb e t w e e n a 1 2 0 3f i b r ea n dm a t r i xa r et h em a i nr e a s o n so fc r e a t i n gt h em i c r o c r a c k si nt h en u g g e t i ti s c o n s i d e r e dt h a ta l le f f e c t i v ew a yt oe l i m i n a t et h ep o r o s i t ya n di m p r o v et h ej o i n tq u a l i t yi s t t i n e r e a s i n ge l e c t r o d ep r e s s u r ep r o p e r y , r e m o v i n gh y d r o g e nf r o mm m c sa n dh o l d i n gt h e m m c s d r y t h ec o m m e n d e dw e l d i n gp a r a m e t e r sa r e ： 5 q f m m c s ：u = 7 5 v ，c = - 3 3 0 0 “f , 庐1 8 n ：9 0 o 目p f m m c s ：u = 8 0 v ，c = 3 3 0 0 “f ，庐1 7 n ； 1 9 0 o q f m m c s ：u = 8 5 v ，c = 3 3 0 c l 灯，庐1 7 n ；2 6 c p f m m c s ：泸8 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ，庐1 6 n 。 k e yw o r d s ：m m c s ：肖j 2 0 3f i b r e ：c a p a c i t o rd i s c h a r g ew e l d i n g ；j o i n tm i c r o s t r u c t u r e l l i 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名： 钎焊时，零件整体受热均匀，热应力小，可将变形量控制到最小限度。 ( 3 ) 基体金属和钎料周围存在的低压，能够排除金属在钎焊温度下释放出来 2 1 研究背景和意义 的挥发性气体和杂质，可使基体金属的焊接性能得到改善。 ( 4 ) 不用钎剂，所以不会出现气孔，夹杂等缺陷。 但是，真空钎焊的设备昂贵，因此未能被广泛应用。 电阻钎焊不但方便于对钎焊温度、温度梯度、高温停留时间等参数进行优化， 而且通过调节电极力还可以对钎缝厚度进行控制，因此容易获得性能良好的接头。 而火焰钎焊等方法，因其焊后残余钎剂( 残渣) 吸水返潮后会对铝及铝合金有严 重的腐蚀性，焊后必须经过严格仔细的清洗，需花费大量的工时，若清洗不完善 还有使焊件被腐蚀的危险，因此采用的较少。 在钎焊中，润湿性是保证接头获得一定强度的首要前提与主要手段，因此首 先应基于润湿性来设计或选择钎料的成分。吕世雄等【9 j 提出一种新的无钎剂加压钎 焊方法。用z n a i 钎料连接铝基复合材料，时间短，不需要保护环境。试验发现， 温度和压力是至关重要的钎焊工艺参数，当温度在4 0 0 4 5 0 c ，压力为3 0 m p a 时， 接头拉伸破坏于钎缝处，强度达3 1 1 j 2 6 3 3 m p a ，为母材抗拉强度的8 5 9 0 。温度 由3 8 0 向4 4 0 升高时，接头的抗拉强度是不断升高的。而在4 4 0 1 2 以上，抗拉强 度不再变化。压力从0 向3 0 m p a 升高时，接头的抗拉强度也是不断升高的。 4 尽管人们在铝基复合材料钎焊连接方面取得了一些成果，但仍然存在以下问 题【删： ( 1 ) 铝合金本身钎焊性不良，铝基复合材料采用的铝合金基体中，除l d 2 的软、硬钎焊性良好外，其他铝合金的软、硬钎焊性均较差。 ( 2 ) a 1 2 0 3 氧化膜严重影响钎焊质量。a l 具有很强的氧化性，在空气中很容 易与氧发生反应生成致密、稳定的a 1 2 0 3 表面氧化膜。随着温度升高氧化程度加剧， 氧化膜迅速增厚( 室温下膜厚一股在5 1 t m 左右，而在6 0 0 温度下膜厚剧增至 1 0 0 2 0 0 t m ) 。而且a 1 2 0 3 熔点很高，约2 0 5 0 c ，又具有很高的化学稳定性，一般 在钎焊过程中不发生熔化也不易被化学腐蚀剂腐蚀而去除，严重影响钎料在母材 表面的润湿与铺展，成为铝基复合材料钎焊的一大难点。 1 0 1 x m ) 和体积百分含量较低( 制样。将鹏宇牌双组分环氧胶按1 ：0 5 l 的比例均匀混合，并充分搅匀， 然后慢慢灌入将试样侧立放置的p v c 管中进行镶样，待2 4 小时浸胶完全固化后， 按照标准金相制样步骤，由粗到细的原则在4 0 0 一1 2 0 0 目的水砂纸上打磨，尔后在 抛光机上抛光，用清水冲去脏物。应用o 5 氢氟酸水溶液作为浸蚀剂浸蚀接头试 2 实验内容和方法 样，浸蚀时间约1 5 s 。用无水乙醇清洗后烘干。 ( 6 ) 接头组织观察。采用x j g 0 5 型光学显微镜和a r m r a y - 1 0 0 0 b 型扫描电 镜观察接头浸蚀前后的组织形态，并用能谱仪分析熔核中a l 、s i 元素的分布规律。 ( 7 ) 接头性能测试。用数字式s h 5 0 0 推拉力计测试接头的剪切强度，计算 接头剪切强度，推拉力计的规格参数见表2 一l 。用h x d 】0 0 0 t m c 显微硬度仪对复 合材料基体和熔核硬度进行测试。 接头的剪切强度为： f ：z ( n ，m m 2 )( 2 1 1 ) s 其中，一拉力； s 一断裂面积。 表2 1s h 5 0 0 型数显推拉力计规格参数 t a b l e2 一lp a r a m e t e r so fs h 一5 0 0t y p ed i g i t a lf o r c eg a u g e 型号 s h 5 0 0 最大试验负荷 负荷分度值 相对示值误差 5 0 0 n o 1 n o 5 2 5 本章小结 ( 1 ) 理论估算了储能焊焊接热量。 ( 2 ) 介绍了微型储能焊机的设计、制作过程。 ( 3 ) 阐述了实验方案及步骤。 西安理工大学硕士学位论文 3a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料储能焊接头组织特征 3 1m m c s 的基体组织 图3 1 为a 1 2 0 3 f a d c l 2 复合材料的微观组织。其中，图3 - 1 ( a ) 为a d c l 2 金属基 体的显微组织，由( q a l + s i ) 共晶体加少量初生s i 相组成。图中灰黑色针片状体为 共晶硅，少量灰色不规则的块状物为初生硅，白色区域为舡a t 基体。a i s i - - 元合金 属于典型的共晶型合金。由于a d c l 2 中c u 的含量较低，仅为2 5 ，对基体金属的凝 固过程和组织形态不会产生显著的影响。因此，借助a l - s i - - 元合金相图可对a d c l 2 的平衡凝固组织进行分析。合金成分在a 1 s i - - - 元合金相图ps j 中的位置如图3 - 2 所示。 图3 1 ( b ) 和( c ) 分别为a 1 2 0 3 纤维体积分数为5 和9 复合材料的显微组织。其中 形态细长、长短不一的黑色棒状体为a 1 2 0 3 纤维。纤维在基体中随机分布。显然，大 图3 - l 复台材料的微观组织 f i g 3 1m i c r o s t r u c t u r eo fc o m p o s i t e s 3a 1 ：0 ，纤雏增强铝基复合材料储能焊接头组织特征 小不一的椭球形是棒状纤维的金相截面。靠近a 1 2 0 3 纤维的共晶s i 明显细化。而且图 3 1 ( b ) 和( c ) 中的初生s i 尺寸要比图3 一l ( a ) 中的初生s i a l , 。a 1 2 0 3 纤维体积分数 为1 9 和2 6 的复合材料基体组织与图3 1 ( b ) 、( c ) 相类似。对比图3 1 ( b ) 和图 3 1 ( c ) 发现，随纤维含量的增多，基体组织显著细化。其中，初生s i 和共晶s i 的细 化程度十分明显。这主要与合金在a 1 2 0 3 纤维的影响下形核并生长有关。一方面，增 强相a 1 2 0 3 纤维和基体a l 合金在高温复合过程中，a 1 2 0 3 纤维对a 1 s i 合金熔体具有一 s i ，w t 图3 - 2a i s i 二元合金相图7 1 f i g 3 2a i s ib i n a r yp h a s ed i a g r a m 【5 7 定的激冷作用，从而导致合金形核率的提高。另一方面，a 1 2 0 3 纤维本身可以促进 s i 晶体的形核。从结晶学角度来看，s i 为金刚石晶体结构，点阵常数为5 2 4 8 a 。而 n a 1 2 0 3 属于三方晶系，点阵常数为4 7 4 a t 5 9 1 ，其错配度为 艿= ( m i 一一牡岛) m i ( 3 - 1 ) 由此得两种晶体的错配度6 = 1 2 5 0 8 m p a 时，减小趋 势趋于缓和。实验测定的气泡半径值与理论计算值吻合良好。即使在考虑多个气 泡合并的情况下，气泡内部所受压力与半径之间的关系仍然服从理想气体定理， 因此无论m 取何值，由式( 4 9 ) 得到的计算结果与式( 4 - 8 ) 基本一致。随电极 压力增大，熔核中压力增大，气泡难以形核长大。因此，在保证起弧熔化形成熔 核的前提下，电极压力应取上限值，以减小和消除气孔的产生。 图4 - 8 气孔半径随电极压力的变化 f i g 4 8p o r o s i t yr a d i u sw e l e c t r o d ep r e s s u r e 另外，在采用高压低速金属型铸造法制备m m c s 的过程中，通常使用a 1 2 0 3 纤维和有机粘结剂组成的混合料来制备预制体。在m m c s 成形过程中，如果有机 物去除不彻底，会造成微量有机物残留于a 1 2 0 3 纤维表面，熔化焊时成为熔核中气 孔的发源地。 除以上原因外，氢在铝液中具有一定的溶解度，而基体金属本身的含氢量大 是形成熔核气孔的原因之一。另外，附着在焊件表面的潮气在焊接时也会增加吸 氢的机会而导致气孔的产生。因此，除采用合理的焊接工艺外，焊前对复合材料 做适当的除氢处理并保持干燥是减小和消除气孔、提高和改善m m c s 储能焊接头 质量的有效途径。 西安理工大学硕士学位论文 4 6 熔核金属中显微裂纹的形貌特征 观察发现在a 1 2 0 3 f 基体界面附近有显微裂纹的存在，如图4 9 中箭头所示。从 裂纹的形貌特征不难看出，裂纹起源于纤维基体界面上，当遇到纤维或其它阻碍物 时，裂纹扩展停止，如图4 9 ( a ) 所示。一方面，a i s i 合金相在结晶过程中，共晶 s i 通常依附在纤维表面形核生长，使纤维周围界面密度增多，构成为数较多的潜在 裂纹源。还有可能就是基体内部原先就存在裂纹，因为裂纹最有利的形核位置处在 掺入体体积分数高的局部区域，因此焊接时如果造成增强相与基体界面失效，原先 的裂纹就会借助其传播，从而在熔核中观察到裂纹1 6 3 1 。另一方面，a 1 2 0 3 纤维与基 体之间的线胀系数差异较大，则从制造温度冷却时会导致大量的残余应力积累；在 焊接时热循环作用下，也容易产生较大的热残余应力。当应力大于基体材料的屈服 强度时，纤维将承担更大部分的荷载，同时纤维端部附近基体或界面中的应力集中 效应将变得更加明显，很容易在纤维端部界面处以及纤维断裂处产生微裂纹。在王 荣国等人合著的复合材料概论中也指出1 6 4 1 ，如果纤维增强体与基体的线胀系数 相差较大，则会产生较大的残余应力，是导致裂纹产生的主要原因。文献 6 5 】也认 为：结合强度较低的纤维基体界面是导致材料破坏的重要裂纹源之一，并在随后的 加载过程中裂纹将不断扩展。 图4 - 9 熔核中显微裂纹 f i g 4 - 9m i c r o c r a e ki nn u g g e t 4 7 本章小结 1 采用三维传热一维计算模型获得了熔核温度场分布，计算出了熔核的冷却 速率。较好地反映了熔核冷却过程中温度、时间与熔核半径之间的关系。计算获 得的熔核平均冷却速率为3 7 6 x 1 0 6 k s 。 4 0 4 熔核凝固动力学分析 2 在储能焊条件下，焊接时间极短，冷却速率大，熔核组织显著细化，偏析 程度减小，s i 原子在小a 1 中的固溶度扩展至l o 士l a t 。左右，a 1 2 0 3 f a d c l 2 复合 材料储能焊接头熔核组织具有明显的快速凝固特征。 3 适当增加电极压力，焊前对复合材料做除氢处理并保持干燥是减小和消除 气孔、提高和改善铝基复合材料储能焊接头质量的有效途径。 4 熔核中显微裂纹形成于a 1 2 0 3 纤维基体界面处，形成原因与纤维周围界面密 度大、结合强度低及a 1 2 0 3 纤维与基体之间的线胀系数差异大有关。 本章主要内容发表于： 雷鸣，翟秋亚，徐锦锋a 1 2 0 3 f a d c l 2 复合材料储能焊接头组织形成规律 j 】投 稿焊接学报，已录用 4 1 西安理工大学项士学位论文 5 接头力学性能及其影响因素 5 1 接头的剪切强度 铝基复合材料的焊接质量受诸多因素的影响，例如，实验环境中的空气湿度，焊 接材料的成分、表面处理情况，以及焊接参数等。通过实验发现，尽管影响因素较多， 但焊接参数，即充电电压、电极力和电容是影响接头质量的主要影响因素。因此，通 过焊接参数来分析a 1 2 0 3 f a d c l 2 的接头剪切强度，从而得出焊接参数对接头力学性 能的影响规律，对其实际应用具有重要的参考价值。表5 1 是不同参数下的接头剪切 强度及断裂位置。从中可以看出，不同剪切强度所对应的断裂位置，以及相应的焊接 表5 1 接头剪切强度及断裂位置 t a b l e5 - 1s h e a rs t r e n g t ho f j o i n ta n df r a c t u r ep o s i t i o n 注；卜一接头结合面处断裂；m 一基体处断裂。 5 接头力学性能及其影响因素 参数。在拉伸过程中，一般都在接头结合面处和接头边缘的基体处发生断裂。接头结 合面处的断裂，其主要原因是接头焊接质量较差。从拉伸断面处可以看出焊材的焊透 率较小，以及经历焊接过程后，从熔核中挤出的黑色氧化物夹杂分布在接头边缘降低 了接头质量。而对于焊接质量较好的接头，拉伸断裂后，接头完好无损，断裂发生在 接头边缘的基体处。由表中数据可知，只有当接头剪切强度高于9 0 m p a 时，才可以保 证接头的强度，同时也反映了焊接参数对接头剪切强度的影响。 5 1 1 电极压力对接头剪切强度的影响 电极压力决定复合材料的焊接区金属塑性变形的范围与程度，对消除焊点内、外 缺陷和改善金属组织具有较大作用。尤其在储能焊接过程中，电极压力与焊接材料、 强度要求及焊点大小有关。而且电极压力的变化引起焊接质量变化比一般电阻焊更为 敏感。电极力太小，易使电极与焊件间起弧，损坏电极表面，而且无法实现焊接材料 的连接；同时，由于电极力太小而无法将熔核区内的气孔、氧化物杂质等挤出，使得 焊接质量严重下降。反之，电极压力过大，电极一焊件、焊件一焊件接触面积增大， 使焊接区加热减弱，散热增强，熔核尺寸减小，强度下降，使强度分散度增大，稳定 性下降。通过实验发现，在充电电压和电容一定的情况下，可实现焊接的电极压力值 是在个范围内，但其中一定存在最佳值，其值由焊接时间、电压、电容，以及焊材 表面粗糙度等因素决定。这如同t l p 中的焊接压力存在一最佳范围，如图5 - 1 所示。 图中的( a ) 、( b 、( c ) 和( d ) 分别对应5 l i o f m m c s 、9 妒f m m c s 、1 9 妒f m m c s 和 2 6 f o f m m c s 在三种不同电压值u a = 7 5 v ，u b = 8 0 v ，u c = 8 5 v 和相同电容c = 3 3 0 0 t t f 下接头剪切强度随电极压力的变化曲线。在其四个图中可以清楚的看出，当电压和电 容一定时，在给定的电极力范围内，接头剪切强度随电极力变化的总体趋势是由低到 高，再到低的过程。 5 1 2 充电电压对接头剪切强度的影响 通过实验发现，在保证实现焊接的条件下，当电压在一定范围内增加时，可实现 良好焊接的电极压力也随之增加。由于接头质量由焊接参数共同决定，每一个焊接参 数的选择都受其它两个参数的影响，因此在电极力和电容一定的情况下，接头剪切强 度随电压的变化如图5 2 所示。图5 2 ( a ) 中，当c = 3 3 0 0 p f ，f = 1 8 n 时，接头剪切 强度随电压的变化是先降低，尔后略有升高；图5 - 2 ( b ) 中，当c = 3 3 0 0 1 f ，f = 1 7 n 时，接头剪切强度在电压为8 0 v 时达到最高值。而在图5 2 ( c ) 中，当c = 3 3 0 0 t t f ， f = 1 7 n 时，接头剪切强度是随电压的增加而升高；图5 - 2 ( d ) 中，当c = 3 3 0 0 p , f ，弘1 6 n 时，接头剪切强度也是随电压的增加而升高。由此可知，在电容和电极力一定的情况 下，适当增大电压，对a 1 2 0 3 纤维体积分数较高焊材的接头剪切强度有所改善。 西安理工大学硕士学位论文 图5 1 接头剪切强度随电极力的变化 f i g 5 1s h e a rs t r e n g t ho f j o i n t1 罐e l e c t r o d ef o r c e 5 1 3 电容对接头剪切强度的影响 电容在焊接过程中的作用主要是为焊接提供合适的能量，它的大小将直接决定是 否能实现a l 基复合材料焊接。电容偏大将会导致母材熔化过度而焊透，而电容偏小 则会使母材因能量太小而熔化不足，导致接头质量较差，甚至无法实现连接。实验发 现，电容微小的变化不会对接头质量起到明显的影响，如图5 3 所示，其曲线为当电 压u 为s o y ，电极压力f 为1 7 n ，电容c 分别为3 3 0 0 1 t f 和3 3 6 0 t t f 时的剪切强度， 从中可以看出，在相同纤维体积分数下的接头剪切强度值的变化十分微小。 5 接头力学性能及其影响因素 ( b ) 9 e t m m c s i 8蘑霪霹 ；饧鳓翳撕 u | nu | 图5 - 2 接头剪切强度随电压的变化 f i g 5 2s h e a rs t r e n g t ho f j o i n tv 8w e l d i n gv o l t a g e 5 2 熔核金属的显微硬度 图5 - 4 显示了m m c s 基体与熔核金属显微硬度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化。在 进行硬度测试时，测试点均打在金属基体上而未打在a 1 2 0 3 纤维上。从图中可以看出， 不同纤维体积分数的复合材料经历焊接后，熔核金属的显微硬度相对于m m c s 基体均 有了显著的提高。其中5 t p f m m c s 的熔核显微硬度增长最大，高达7 0 6 4 ，最小的 2 6 妒f m m c s 也有4 5 7 6 的增长。熔核显微硬度的提高主要是由于组织细化和纤维体 积分数增大两方面原因所致。熔核显微硬度的增长率是随着纤维体积分数的增加而减 小的。因为在m m c s 焊材中a 1 2 0 3 纤维的体积分数增加时，焊接难度增大，组织细化 的程度也减小。而且在3 3 中也知道熔核中的纤维含量也是随着基体中a 1 2 0 3 纤维体 积分数的增加而增加的。因此，尽管显微硬度数值是随纤维体积分数的增加而增加， 但是其增长率却是随之减小的。四种不同纤维体积分数复合材料的熔核显微硬度相对 于m m c s 基体的显微硬度平均增长率为5 4 1 9 。这也有力的证明了在a 1 2 0 3 纤维增强 西安理工大学硕士学位论文 圈5 - 3 电容对接头剪切强度的影响 f i g 5 3e f f e c t so f c a p a c i t yo ns h e a rs t r e n g t ho f j o i n t ， 图5 - 4 显微硬度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化 f i g 5 - 4v a r i a t i o no fm i c r o h a r d n e s sw i t hf f f o f a l 2 0 3f i b r e a l 基复合材料的储能焊接中熔核组织显著细化这一特点。 5 3a 1 2 0 3 f 体积分数对接头性能的影响 图5 5 为接头剪切强度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化。三条曲线分别代表在三种不 同电压值下，即【，a = 7 5 v ，u b = 8 0 v ，u c = 8 5 v 时，接头平均剪切强度随a 1 2 0 3 纤维体积 分数的变化。从中可以看出，随着a 1 2 0 3 纤维体积分数的增加，剪切强度呈现下降趋势。 而且在电容和电极力一定的条件下，对于纤维体积分数较高的材料，其剪切强度随电 i、m8qpj8王 5 接头力擘性能及其影响因素 压的增加而升高。因为a 1 2 0 3 纤维是绝缘的，而且随着a h 0 3 纤维体积分数的增加，纤 维与基体间的界面增多，焊接难度也随之增大，因而在焊接参数保持不变的条件下， 其强度必然下降。邹荣莲6 6 1 也认为，金属基复合材料的电阻焊焊接性也受材料中纤维 体积分数的影响，随纤维体积分数的增加，焊接难度增大。 本课题组同时研究t a h 0 3 纤维体积分数对复合材料性能的影响【6 刀。图5 6 为 争。| 图5 - 5 接头剪切强度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化 f i g 5 5v a r i a t i o n so fs h e a rs t r e n g t ho f j o i mw i t h p f o f a l 2 0 3 f i b r e 量 i 一 亿 图5 - 6 屈服强度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化陋7 j f i g 5 - 6v a r i a t i o n so f y i e l ds t r e n g t ho f m m c sw i t h 卿o f a l 2 ( 3 3f i b r e 【6 7 1 4 7 西安理工大学硕士学位论文 m m c s 屈服强度随a 1 2 0 3 纤维体积分数的变化。从中可以看出，屈服强度随纤维体积分 数的增加而提高，最高可达1 2 4 m p a ，最小的也有8 9 m p a 。由于增强相a 1 2 0 3 纤维的存 在，因此，随着纤维体积分数的增大，复合材料的屈服强度也随之提高。 从图5 1 中可以得出四种不同a 1 2 0 3 纤维体积分数复合材料的最佳焊接参数即为 四个图形中的最高点，分别为： 5 9 f m m c s ：u = 7 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f , f = 1 8 n ； 9 妒f m m c s ：u = 8 0 v ，c = 3 3 0 0 “f ，f - 1 7 n ： 1 9 妒f m m c s ：u = 8 5 v ，c = 3 3 0 0 肛f ；庐1 7 n ： 2 6 伊f m m c s ：u = 9 5 v ，c = 3 3 0 0 p f ，f = 1 6 n 。 5 4 本章小结 1 测试和分析了焊接参数对接头剪切强度的影响规律。随着电极力的增大，接头 剪切强度先增大而后减小；在电极力和电容一定的情况下，不同焊材的接头剪切强度 随电压的变化规律各不相同。适当提高电压，对a h 0 3 纤维体积分数较高焊材的接头 剪切强度有所改善；电容对接头的剪切强度的影响不甚显著。 2 在储能焊条件下，通过对基体与熔核的显微硬度对比分析，熔核金属的显微硬 度相对于基体明显增大，但硬度增长率随a 1 2 0 3 纤维体积分数的增大而有所减小。 3 随着a 1 2 0 3 纤维体积分数的增加- ，复合材料的焊接难度增大，接头剪切强度减 小。 4 推荐的储能焊焊接参数分别为： 5 妒fm m c s ：u = 7 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ，f = 1 8 n ； 9 妒f m m c s ：u = 8 0 v ，c = 3 3 0 0 p f ，f = 1 7 n ； 1 9 伊f m m c s ：u = 8 5 v ，c 2 3 3 0 0 p f ，f = 1 7 n ； 2 6 妒fm m c s ：u = 9 5 v ，c = 3 3 0 0 p f ，f = 1 6 n 。 4 8 结论 6 结论 本文采用微型储能焊机对a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料( 纤维体积分数分别为们 = 5 ，9 ，1 9 ，2 6 ) 进行了点焊连接，研究了接头的形貌特征、组织形成规律以及 a 1 2 0 3 纤维体积分数和焊接参数对复合材料储能焊接头力学性能的影响，得出以下主 要结论： ( 1 ) 采用微型储能焊机可实现a 1 2 0 3 纤维增强铝基复合材料的焊接。储能焊接头 由熔核、熔合区和热影响区组成。在接头中形成了规则的扁平熔核，m m c s 基体与熔 核金属过渡良好，极短的焊接时间和大的冷却速率使接头组织显著细化。细小的富s i 相均匀弥散的分布于熔核基体中，形成与m m c s 不同的熔核组织。熔核中除少量a 1 2 0 3 纤维发生一定程度的破碎之外，大部分仍保持其原有的形貌特征，经由母材横穿熔合 区而直接插入熔核区，随机分布于焊接接头中。 ( 2 ) 利用三维传热一维计算模型对熔核的温度场和冷却速率进行了理论计算。 揭示了熔核冷却过程中温度、时间和半径之间的关系，理论计算出的熔核平均冷却速 率为3 7 6 x 1 0 6 k s 。熔核凝固时间极短，仅为1 6 0 p s ，大的冷却速率便熔核组织显著细 化，偏析程度减小，s i 原子在a a i 中的固溶度扩展至l o 士l a t 左右。a 1 2 0 3 f f a d c l 2 复合材料储能焊接头熔核组织具有明显的快速凝固特征。 5 ( 3 ) 焊接参数中，电极力和电压对接头剪切强度具有显著的影响，随着电极压力 的增大，接头剪切强度先增大而后减小。适当提高电压，对a 1 2 0 3 纤维体积分数较高 焊材的接头强度有所改善。随着a 1 2 0 3 纤维体积分数的增大，母材和熔核的显微硬度 升高，但其增长率随之减小，焊接难度增大。 ( 4 ) 适当增加电极压力，焊前对复合材料做除氢处理并保持干燥是减小和消除气 孔，是提高和改善铝基复合材料储能焊接头质量的有效途径。a 1 s i 合金相在结晶过程 中，纤维周围界面密度增多以及a 1 2 0 3 纤维与基体之间的线胀系数差异较大是熔核中 显微裂纹形成的主要原因。 ( 5 ) 推荐的储能焊焊接参数分别为： 5 卿m m c s ： 9 t p f m m c s ： 19 d p fm m c s ： 2 6 o fm m c s ： u = 7 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ， u = 8 0 v ，c = 3 3 0 0 斗f ， u 2 8 5 v ，c = 3 3 0 0 # f ， u = 8 5 v ，c = 3 3 0 0 9 f ， f = 1 8 n ； f = 1 7 n ： 庐1 7 n ： f = 1 6 n 。 西安理工大学硕士学位论文 致谢 本文是在翟秋亚老师的精心指导和悉心关怀下完成的，导师在论文工作的每一阶 段都倾注了大量心血。导师渊博的知识，严谨的治学态度，以及忘我的工作精神对我 的学习和生活产生了巨大的影响。同时，徐锦锋老师始终关注着课题研究的进展情况， 并提供了颇有价值的讨论。在论文完成之际，谨向两位导师致以崇高的敬意和由衷的 感谢。 感谢材料学院中心实验室刘金利和常儒老师在组织分析等方面给予的支持和帮 助。 感谢西安交通大学材料学院孙莉秋老师在性能测试方面提供的实验支持，也感谢 西北工业大学空间材料科学与技术实验室在组织分析方面的支持和帮助。 本课题组杨扬同学和杨维虎同学在实验过程中提供了较多的支持和协助，在此一 并表示感谢。 参考文献 参考文献： 【i 】牛济泰，刘黎明，韩立红铝基复合材料焊接研究现状及展望 j j 哈尔滨工业大学学报， 1 9 9 9 ，3 1 ( 1 ) ：1 3 0 1 3 3 【2 】c a g e o r g e s ，l y e ，m h o u a d v a n c e si nf u s i o nb o n g i n gt e c h n i q u e sf o r j o i n i n gt h e r m o p l a s t i c m a t r i xc o m p o s i t i o n s ：a r e v i e w j c o m p o s i t e s ，p a r t a2 0 0 1 。3 2 ：8 3 9 8 5 7 【3 】金朝阳，顾晓波，邹家生等铝基复合材料连接研究进展 j 华东船舶工业学院学报，2 0 0 0 ， 1 4 ( 5 ) ：6 7 7 2 【4 】l i ny e ，m a n gl u ，l i u w i n gm a l t h e r m a ld e - c o n s o l i d a t i o no f t h e r m o p l a s t i cm a t r i xc o m p o s i t e s 1 g r o w t h o f v o i d s j c o m p o s i t e ss c i e n c e a n d t e c h n o l o g y ，2 0 0 2 ，6 2 ：2 1 2 1 2 1 3 0 【5 】 日 植村益次，牧广主编贾丽霞，白淳岳译高性能复合材料最新技术 m 中国建筑工业 出版社，1 9 9 9 ：1 4 - 1 5 6 1 许如强，邹家生，韩逸生铝基复合材料的钎焊连接技术 j 焊接技术，2 0 0 2 ，3 1 ( 3 ) ： a l 一3 7 1x p z h a n g 。g f q u a n ，w w e i p r e l i m i n a r y i n v e s t i g a t i o n o nj o i n i n g p e r f o r m a n c eo f s i c p r e i n f o r c e da l u m i n i u mm e t a lm a t r i xc o m p o s i t e ( a l s i c p m m c ) b yv a c u u mb r a z i n g j c o m p o s i t e s ，p a r ta1 9 9 9 ，3 0 ：8 2 3 8 2 7 【8 】吕世雄，于治水，许志武等s i c w 6 0 6 i a i 复合材料无钎剂加压钎焊 j 焊接学报，2 0 0 1 ， 2 2 ( 4 ) ：7 3 7 6 9 1 任德亮，齐海波。丁占来等s i c 颗粒增强铝基复合材料的焊接 j 焊接技术，1 9 9 9 ， ( 3 ) ：l