铝铜焊接毕业论文开题报告.doc

精品文档 学科代码080503编 号硕士学位论文开题报告学 号：122080503050研 究 生：许瑾导 师：石玗教授 黄健康副教授 研究方向：异种金属焊接论文题目：铝与铜异种金属电弧熔钎焊研究学 科：材料加工工程学 院：材料科学与工程学院入学时间：2012年9月开题时间：2014年1月15日2014年1月15日填 报 说 明一、开题报告中的一至七项必须采用计算机输入和打印，开题报告格式可在研究生部网址http:/www. /yanjiusheng/download/download.htm下载。二、开题报告为A4大小，于左侧装订成册。各栏空格不够时，请自行加页。三、开题答辩成绩（即每个学生开题报告评审表的平均成绩）由学院研究生专干填写，学院负责人签署是否同意开题的意见。五、开题报告通过后，分别由研究生、导师、学院和研究生部各存档一份。2欢迎下载。学位论文题目铝与铜异种金属电弧熔钎焊研究课 题 来 源国家自然科学基金一、课题意义及国内外研究现状综述1、研究的背景及意义进入新世纪以来，随着科学技术和工业水平的飞速发展，具有优异性能的新材料和新结构不断得到开发和应用。将两种或两种以上的金属通过一定的加工工艺进行连接而构成一个完整的具有一定实用功能的异种金属连接结构，新形成的连接结构不仅能满足不同工作条件对材质的不同要求，而且还能节约贵重金属，降低结构整体成本，充分发挥不同材料的性能优势。因此， 异种材料焊接技术越来越受到人们的关注，具有广阔的应用前景1-4。自然界中，铜及铜合金具有优良的导电性、导热性、延展性以及在某些介质中良好的耐蚀性，因而成为电子、化工、船舶、能源动力、交通等工业领域中换热管道、导电装置及抗腐蚀部件的优选材料，在人类发展中起着至关重要的作用。 然而，作为一种应用广泛的重要资源，铜在我国的储量并不丰富，消耗量居于世界前列，我国可供经济利用的铜储量已经大幅减少，铜资源远远满足不了社会发展和经济建设的需求，国内每年需要进口大量铜材，同时铜的价格近些年一直居高不下，而且还在持续的攀升中。例如我国2007年铜的消费量为4860.9千吨，比欧洲诸国（比利时、法国、德国、意大利、波兰、俄罗斯）的铜消费总量4748.8千吨还多5。2003年以来，电解铜的价格为2.3万元/吨，到2007年已经达到6.5万元/吨，这之间还曾高达到8.2万元/吨。中国矿业联合会研究表明，到2020年中国所需的45种主要矿产可基本划分为可以保证、基本保证、短缺、严重短缺四类。铜属于严重短缺的9种矿产之一6。在所发现的金属中，铝及其合金不但具有高的比强度、比模量、疲劳强度和耐腐蚀稳定性，而且具有良好的导电性、导热性、成形性和焊接性能，同时价格又低，从而成为航空、航天、船舶、铁路及武器装备等工业中应用广泛的有色金属结构材料7，在很多使用铜的场合用铝代替完全能够满足使用性能上的要求，这就可以使产品成本大大降低8。首先，从导热性能分析，铜的热导热为359.2W/mK，铝的导热系数为206.9W/mK，铝的导电性和导热性仅次于银、铜、金而居于第四位，铝在一定程度上可以代替铜；其次，铝的价格要比铜的低很多，截止2010年3月，铜的现货价格为5.8万元/吨左右，而铝的现货价格仅为1.5万元/吨左右，即铜的价格是铝的3.8倍，而且这种价格差距将日趋增大；再次，从铜和铝在地壳中储量来看，铜在地壳中的含量为0.01%，而铝的含量高达8%。因此除降低成本之外，用铝取代铜的意义还在于缓解铜资源尤其是我国铜资源的紧张状况。综上所述，以铝代铜的研究和应用有着广泛的前景和深远的意义9。铝的性能在某些方面还不如铜的优异，因而在许多结构件中铝质构件仍就不能完全替代铜质构件。因此，在以铝代铜的应用中，铝/铜连接是必由之路口。铝铜复合件的应用在电力行业尤其广泛，如图1所示。 图1 铝铜接线柱和铝铜接线鼻子铝和铜之间的焊接属于异种金属的焊接，而异种材料的焊接性取决于两种材料的晶体结构、微观组织、物理性能和表面状态等，两种材料的性能差异越大，可焊接性越差。铝与铜之间的焊接难度较大，这是由于： 熔点相差大：纯铝的熔点为660，纯铜的熔点为1083。由于铝和铜的熔点相差很大(423)，难以同时熔融。易氧化：铝和氧有着很大的化学亲和力，在空气中铝表面易形成一层致密的A12O3氧化膜，焊接时阻碍铝和铜的结合，给焊接带来了困难。易产生裂纹：在焊接时生成低熔点共晶Al-A12Cu或Cu-Cu2O共晶体，使焊缝变脆，而且铝铜的膨胀系数差别大，容易导致焊缝产生裂纹。易腐蚀：铝和铜之间的电极电位差为1.997v，易导致电化学腐蚀(铝的标准电极电位为1.66v，铜的标准电极电位为0.337v)。易形成气孔：高温时，液态的铝和铜能够溶解和吸收大量的气体(如氢)，冷却时，冷却时，氢在铝和铜液中的溶解度迅速下降，来不及溢出的氢在焊缝中形成气孔。这一系列的问题给铝与铜的焊接带来许多困难。常规的焊接方法在铝-铜的连接问题上受到了种种限制，比如压力焊接和钎焊，虽然可以得到良好的接头，但这些方法效率低、成本高，且焊接尺寸受到限制10。本课题采用旁路耦合MIG焊对铝-铜异种金属进行焊接，焊接结构原理如图2所示。脉冲DEGMAW焊接方法能够在高熔敷率下有效地控制母材热输入，并可以通过调节旁路电弧参数实现焊丝和母材之间热量的合理分配11-14。这些特点为优化高效焊工艺和便于过程自动控制奠定了基础。同时，该方法对焊接电源的要求较低，采用常规非脉冲电源即可实现对熔滴过渡过程的控制，有利于实现低成本的高效MIG/MAG焊接，对实际生产具有重要的意义。 图2 脉冲DEGMAW示意图本课题采用脉冲DEGMAW焊接系统连接铝铜异种金属，主要研究不同焊接参数下铝铜异种金属焊接接头相的组成和分布，以及对材料力学性能的影响；建立金属间化合物的生长模型，分析固相高熔点铜和液相低熔点铝的冶金结合的机理；掌握焊接热输入对晶体生长规律的影响。这些科学问题的研究对了解铝铜金属间化合物晶体形貌，控制晶体生长以提高材料的性能具有重要的意义。 2、国内外研究现状综述近年来，国内外对于铝铜焊接进行了大量的研究，采用了多种方法。铝铜之间的焊接，是焊接领域的难点问题，其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素，压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产。而熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物，并且容易在焊缝中产生大量气孔等缺陷。15-172.1 铝/铜的熔化焊 在铝铜熔焊时，一般只有铝处于熔化状态，如果铜也处于熔化状态，则焊缝将全部由脆性的金属间化合物组成。也就是说，铝铜熔焊的实质是熔化的铝和固相的铜通过反应而结合在一起，这种结合过程同时兼备熔焊和钎焊的特点，接头形式一般为对接或者搭接，但以搭接接头为主。因此，熔化的铝与固态的铜的反应，对于这种异种接头的焊接行为和焊接质量具有决定性的影响。铝-铜熔化焊包括TIG焊、MIG焊、气焊、埋弧焊、激光焊和电子束焊等方法。其熔化焊过程中，由于铝和铜的熔点相差较大，易形成未熔合和夹杂，焊接难度较大；铝和铜强烈氧化形成氧化膜，氧化膜中含有一定量的吸附水和结晶水，容易在焊缝中产生气孔等缺陷；熔焊过程极易产生脆性金属间化合物，根据铝铜二元相图得出，焊接温度区间内，铜和铝可以形成多种金属间化合物，主要有Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3A12、CuAl2、CuAl等，接头的强度随着金属间化合物的增加而降低，必须将焊缝中金属间化合物脆性层控制在1m以下，且焊缝中Cu的质量分数在 12% 13%以下时才具有最佳综合性能18。因此采用熔焊时，焊接方法和工艺的选择要考虑铝与铜在熔点等物理性能上的差异，采取措施防止铝、铜氧化，并设法控制焊缝金属中铜的含量在上述最佳范围内，或者采用铝基合金，尽量减少铜与液态铝相接触的时间，以降低形成金属间化合物对接头强度和塑性的影响。 前苏联的里亚博夫19采用铜侧开坡口、自动埋弧焊以及非熔化极氩弧焊的方法实现铜铝对接焊，但焊缝强度和塑性较低。 电子束焊和激光焊的优点是能量集中，密度高，焊缝熔深大、熔宽小，比较适合铝铜焊接。但缺点是接头强度低，由于产生金属间化合物，强度远低于母材。Mai20等人采用350WNd:YAG激光加热对Cu与4047Al基体进行熔化的焊接研究表明：Cu/4047Al接头熔合区的显微硬度明显偏高，表明熔合区主要由脆性金属间化合物组成，同时由于激光加热温度梯度较高，易形成较高的残余应力，焊接速度超过100mm/min时在焊缝中出现大量裂纹。由此可以看出，用熔化焊难以获得高质量的铝铜接头。2.2 铝/铜压焊铜与铝具有良好的塑性，铝的压缩率可达60%80%，铜可达80%90%21，因此采用压焊方法可得到质量优异的铝/铜接头。在压焊过程中采用铜/铝过渡接头，可避开铜与铝熔焊存在的问题，将异种金属的焊接转变为铝与铝、铜与铜之间同种金属的焊接。与熔焊相比，压焊工艺简单，更易得到理想的焊接接头。2.2.1冷压焊 冷压焊接头在室温下形成，在压力作用下将Al表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，依靠固体表面的局部流动变形，使原子充分接近而达到有效结合，铝与铜的结合面不发生熔化，不产生与熔化和凝固相关的焊接缺陷。接头附近无热影响区，接头内部不会产生铝/铜脆性化合物。无需考虑熔焊时铝、铜熔点相差大、易氧化、易产生裂纹和气孔等问题。因此相对来讲，冷压焊容易获得质量较高的焊缝接头，焊接铜带和铝箔较为理想。焊前的表面准备工作直接影响冷压焊的接头质量。采用不同表面处理方法所获得的接头强度各不相同，其中焊前用钢丝刷刷光处理过的接头强度最高22。2.2.2 摩擦焊摩擦焊是焊接铝铜时较常用的一种压焊方法，是在材料的塑性变形与流动的基础上，通过界面上的扩散与再结晶冶金反应实现连接的固态焊接方法，异种材料熔点的差异对摩擦焊影响较小，主要用于圆柱形或管状的铝件与铜件的对接。摩擦焊不能焊接太长的、固定的和不对称的母材；焊接接口部位由于扭转压缩产生凸起，母材的纤维组织凸起的方向与受载方向平行，致使承载能力下降。摩擦焊焊接界面温度主要取决于工件旋转速度及压力大小。降低铝/铜摩擦焊的转速并适当的调节摩擦压力即可在稳定摩擦阶段获得低温，从而避免脆性化合物的出现。结果表明，采用合适的工艺参数能够获得不低于铝母材强度的摩擦焊接头：当转速超过1 000 r/min以后，接头界面出现脆性的金属间化合物层，接头将在此处发生脆断23。进一步研究表明，铝/铜摩擦焊界面化合物层厚度随转速增加和摩擦压力减小而增加，一定厚度的化合物层会提高接头的抗拉强度，但化合物厚度持续增加就会使接头强度降低24。WonBao Lee25等人采用传统摩擦焊方法实现了纯铜与1050铝合金的焊接，分析了接头中铜铝金属间化合物的生长规律对接头电阻率及力学性能的影响。研究表明：金属间化合物宽度为21m时，其电阻率为45cm;当金属间化合物的宽度增加至107m时，电阻率变为85cm。抗拉强度因金属间化合物的增长而降低，断裂位置从Al侧热影响区变为整个金属间化合物层。Ochi H.等人26详细研究了接头界面化合物形成对铝/铜异种材料摩擦焊焊接性的影响，发现1050、5000、6000系铝合金与铜的摩擦焊接头，比铝合金的强度系数高80，而2000系和7075铝合金与铜的接头强度系数低于50。此外，研究还发现界面附近的铜碎片会与化合物混合掺入铝合金中。这种混合在强度系数低的接头中表现非常剧烈，断裂也发生在混合层和界面中；而在强度系数高的接头中，混合层极薄，并且分布均匀。T.Saeid_27等人对 1060铝合金/商业纯铜进行了搅拌摩擦焊的搭接实验，分析了焊接速度的对接头显微组织和强度的影响。结果表明，铝/铜界面层中靠近铝的一侧产生了Al4Cu9和Al2Cu金属间化合物，并且还出现了一些显微裂纹。当焊接速度为95mm/min时，接头强度最高。Jiahu Ouyang等人28研究了铝-铜搅拌摩擦焊的温度分布及接头微观组织，研究表明焊接的峰值温度达580，超过铝/铜的共晶点，接头组织包括 CuAl2、CuAl、Cu9Al4、-Al、面心立方的Al在Cu中的固溶体，组织的显微硬度为136 HV0.2到760HV0.2范围。脆性金属间化合物的存在导致铝/铜直接焊接较为困难，建议添加中间层来得到满意的结果。Abdollah-Zaden等人29进行了4mm铝合金1060与 3mm纯铜的搭接焊接，实验表明，转速和焊接速度对接头性能的影响根本原因是在界面层中产生了脆而硬的金属间化合物，降低焊接速度或增加工具头转速，会使界面产生多的硬而脆的金间化合物，从而导致接头的机械性能变差。清华大学的刘鹏等人30对3mm厚T2与5A06合金进行了搅拌摩擦焊焊接，结果表明，当搅拌头转速为950rpm，焊接速度为150mm/min时，接头质量较高，拉伸强度可以达到296MPa，金相分析结果表明没有产生铝铜金属间化合物。2.2.3爆炸焊爆炸焊是利用炸药爆炸产生的冲击波，使被焊材料发生冲击变形、塑性流动甚至表面熔化，从而实现连接的焊接方法。材料的爆炸焊接性主要受到材料屈服强度、延展性、密度及声速等方面的影响31。铝/铜爆炸焊接已经较多的应用到生产和科学技术中。铝、铜表面的氧化膜、油污、吸气等表面沾污可借助爆炸动力产生的快速、巨大的压力得以清除。Behcet Gulenc等人32对2mm厚铝/铜板的进行爆炸焊接，结果表明随着爆速的增加，接触面的强度提高，所得铝/铜接触面在弯曲实验中没有一例发生破坏，满足强度要求。肖宏滨33等人对铝铜爆炸焊复合板结合界面进行了微观观察，实验表明，复合板的结合界面呈波状结构；结合区发生了剧烈的塑性变形，产生形变流线和加工硬化；结合界面两侧存在原子扩散及漩涡，漩涡内汇集有金属熔体、气孔、疏松和金属碎块等；在结合界面上发现很薄的白亮层。采用扫描电镜观察结果如3图所示。熔化区主要是由CuAl2、Cu3Al2及Cu4Al等组成。结合界面的组织性能与爆炸焊接工艺密切相关，是影响爆炸焊接质量的重要因素。图 3 爆炸焊结合区界面组织Izuma T.等人34对铝/铜进行爆炸焊时加了中间层，这比传统爆炸焊更有优势，既能有效降低碰撞时能量的消耗，又能减少界面结合区的有害反应，所以可以得到高质量的接头。2.2.4扩散焊扩散焊是将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使接触面之间的原子相互扩散形成连接的焊接方法。山东大学的李亚江35等人对铝/铜进行了真空扩散焊扩散研究，在连接温度520540、保温时间60min及压力11.5MPa时，在Al-Cu界面处形成明显的扩散过渡区，扩散区域宽约40m，接头性能良好。重庆大学的谭传智等人36对扩散焊接方法进行了详细的阐述。结果表明在铝/铜接头靠近铜侧易形成一层厚度约为310m的CuAl2脆性金属间化合物，这使得接头强度大大降低。北京航空航天大学孟胶东37等人也采用真空扩散焊接的方法对纯铜与铝及铝合金的进行了焊接。实验表明:最佳工艺参数为连接温度530540，时间10min，压力11.5MPa。结合区形成扩散连接，有脆性相Cu3Al、CuAl生成，另外还提出在铜的表面镀Ni能够有效阻止Al和Cu之间形成脆性的金属间化合物，并且Al和Ni之间形成了良好的扩散连接，改善了接头的性能。 2.2.5超声波焊接超声波焊接铝/铜，是对被焊件施加一定压力和超声作用，使铝/铜接触面彼此摩擦，将Al表面的氧化物或其他污染物破碎并排除，两个干净的接触表面发生原子扩散，Al和Cu在未达到其熔点的条件下完成冶金学上的粘结作用。Shin-ichi Matsuoka38等人利用超声波对铝/铜进行了水下焊接，并与在空气中超声焊接进行对比，结果显示两种方法所得接头强度相近，表明超声波焊接所能达到的接头强度与焊接环境无关，但是由于水散热较快，焊接时需要较大的压力和焊接时间。Y.Y.Zhao,D.Li and Y.S.Zhang39等人研究了铝-铜超声波焊不同焊接能量对连接界面的影响，接头拉伸强度刚开始随着焊接能量的增加而升高，1000J时增加到最大，随后又显著下降，如图4所示；图5为不同焊接能量下界面显微照片和线扫描曲线，可以看出2000J的接头界面处出现了0.5m厚的金属间化合物层Cu9Al4。 图4 铝铜超声波焊接头拉伸强度随焊接能量的变化曲线图 5 不同焊接能量下的界面显微组织及其能谱曲线2.2.6磁力脉冲焊磁力脉冲焊主要利用感应加热和电磁加压，使被焊工件相对运动并彼此碰撞，从而实现有效连接的焊接方法。这种方法一般只用来焊接轴对称部件，如管、筒等。为保证良好的接头成形，焊前可以对工件进行退火处理。Watanabe M40等人对铝铜等异种金属进行了磁力脉冲焊，研究表明界面区呈波状轮廓，存在一个中间过渡区，进一步研究表明，过渡区主要是由细小的铝晶粒及弥散分布的金属间化合物组成。Marya M41等人也成功利用磁力脉冲焊焊接了铝铜异种金属，发现很难获得不含金属间化合物的焊接接头，当撞击速度较大时，界面上生成了脆性金属间化合物CuAl2，所以这也说明焊接过程中发生了金属的熔化。2.3 铝/铜钎焊钎焊是利用熔点比母材(被钎焊材料)熔点低的填充金属(称为钎料或焊料)，在低于母材熔点、高于钎料熔点的温度下，利用液态钎料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，而实现零件间的连接的焊接方法。上海交通大学的杨瑞鹏42等人对铝铜直接钎焊的研究表明，在选择合适的钎料与钎剂后，通过降低钎焊温度，减少钎焊时间，进行焊后处理，调整钎缝间隙及基体表面粗糙度，可以获得强度较高的铝/铜钎焊接头。张满43等人研究了Ag元素对铝铜钎焊中Zn-Al钎料性能的影响，银对85Zn15Al钎料在铝表面及铜表面铺展性影响如图6和图7所示，所以添加适量的Ag元素可以提高钎料在铝板和铜板上的铺展能力。图6 银对Zn-Al钎料在铝表面铺展性的影响图7 银对Zn-Al钎料在铜表面铺展性的影响接头的显微组织和能谱结果分别如图8和表1所示，可以看出在钎料中加入Ag元素能明显改善接头显微组织，随着银含量的增加,钎缝内部块状脆性相CuAl2的尺寸减小,引起应力集中的倾向减小,铝基固溶体中Ag的元素含量增加,能增强固溶强化作用，从而提高接头强度。图8 搭接接头显微组织扫描形貌表1能谱扫描结果 山东大学的马海军44等人进行了Al/Cu异种有色金属的真空钎焊工艺研究，试验中铝板铜板采用对接接头形式，真空钎焊接头的装配示意图如图9所示。结果表明，铝铜异种有色金属真空钎焊前应对母材及钎料表面进行化学清洗， 钎缝间隙控制在0.20.3mm之间；钎焊加热温度590615；升温速度约1520/min；保温时间不超过5 min； 真空度保持在110- 3 Pa以上。Al- Si钎料中加入Mg作为活化剂， 有助于铝母材表面氧化膜的去除。加热温度过高、保温时间过长及钎料用量过大容易造成母材的溶蚀。图9 Al/Cu真空钎焊接头的装配示意图Xia Chunzhi等人45采用Al-Si钎料进行了铝1035/铜T2的真空钎焊，研究表明铝/铜钎焊的界面由三部分组成，即靠近铜侧过渡层、中间钎缝和靠近铝侧过渡层。靠近铜侧的过渡层由 Cu3Al2 和CuAl2金属间化合物构成；钎缝主要由-Al固溶体、Cu3Al2和CuAl2构成，同时还含有-Cu5Si4相、Al-Si相和CuZn2相；靠近铝侧过渡层中硅在铝中形成固溶体。Shinozaki K.等人46采用Al-Si-Mg-Bi钎料对Al/Cu和Al/Ag-Cu进行了真空钎焊，观察二者接头的显微组织，发现Al/Cu接头钎缝区由和Al2Cu3两种金属间化合物组成，接头抗拉强度很低，只有15MPa，断裂主要发生在脆性相相上；Al/Ag-Cu接头钎缝区生成板条状的Ag2Al，因为形态与Al/Cu接头中的相不同，所以抗拉强度有很大提高，断裂在铝侧。薛松柏等人47采用改进型CsF-AlF3中温无腐蚀钎剂配合中温钎料，利用火焰钎焊实现Al/Cu管接头的连接，克服了钎剂腐蚀性问题，获得了性能良好的钎焊接头。目前，铝和铜异种有色金属焊接已取得了初步成果，但是对焊接接头中间过渡层金属间化合物的研究较少，特别是金属间化合物的结合机理及对接头力学性能的影响。本课题用DEGMAW一种新的焊接方法对铝和铜进行研究，能够在高熔敷率下有效地控制母材热输入，并可以通过调节旁路电弧参数实现焊丝和母材之间热量的合理分配，有利于实现低成本的高效自动化MIG/MAG焊接，对实际生产具有重要的意义。二、课题研究目标、研究内容和拟解决的关键性问题 1、课题研究目标1) 实现铝与铜异种金属旁路耦合MIG焊工艺参数的优化，在最佳的参数下得到良好的焊缝质量。2) 建立铝铜扩散模型，分析出金属间化合物的结合机理。3）研究出不同合金元素对焊缝形貌及接头性能的影响。2、研究内容1） 脉冲旁路耦合MIG焊焊接参数对金属间化合物反应生成相的影响。具体为在旁路电流不变只改变主路电流的情况和在主路电流不变只改变旁路电流的情况下进行焊接，然后对接头组织形貌进行对比观察与分析。2） 铝与铜板熔钎焊的界面温度场分布对金属间化合物分布的影响。3） 对焊接接头微观组织进行观察与分析，确定铝与铜连接机理。4）金属间化合物各种分布情况下焊接接头的力学性能、导电性以及耐腐蚀性能。3、拟解决的关键性问题1） 脉冲旁路耦合MIG焊焊接参数对金属间化合物反应生成相的影响。具体为在旁路电流不变只改变主路电流的情况和在主路电流不变只改变旁路电流的情况下进行焊接，然后对接头组织形貌进行对比观察与分析。2） 铝与铜板熔钎焊的界面温度场分布对金属间化合物分布的影响。3） 对焊接接头微观组织进行观察与分析，确定铝与铜连接机理。4）金属间化合物各种分布情况下焊接接头的力学性能、导电性以及耐腐蚀性能。三、拟采取的研究方法、技术路线、试验方案及其可行性分析1、研究方法1）采用脉冲旁路耦合MIG焊焊接铝和铜板，研究焊接热输入对晶体生长的影响。2）利用脉冲旁路耦合MIG焊对铝铜异种金属熔钎焊堆焊和搭接接头进行组织及性能研究。3）利用OM、SEM、XRD及数控拉伸实验机等设备测试和分析不同焊接规范下接头的组织性能及力学性能。4）采用不同铝合金焊丝进行焊接，分析不同合金元素对接头微观组织形成的影响。2、技术路线图10 技术路线图3、试验方案 1）利用脉冲旁路耦合MIG焊焊接铝铜异种金属，然后线切割取样、磨制、抛光制得金相试样。2）用显微镜观察焊缝中间过渡层的形貌，用X射线衍射仪、电子探针仪测得金属间化合物的组成及其分布并用显微硬度计测出硬度变化曲线。 3）用数控拉伸实验机对焊接接头进行力学性能测试和分析。 4）通过测界面温度场分布来分析焊接热输入对晶体长大的影响。4、可行性分析脉冲旁路耦合电弧MIG焊可以精确控制焊接热输入，实现铝/铜的焊接。国内外已经有专家学者对不同焊接方式下铝/铜焊缝金属间化合物相的组成及其分布做出了初步研究，本课题对铝/铜异种金属平板堆焊接头进行了初步的试验，确定了接头中间过渡层相的组成及其形貌特征。本项目的试验方法、技术路线和总体研究方案是科学合理的，因此以上均表明该课题的研究是可行的。四、课题的创新性用脉冲旁路耦合MIG焊焊接铝与铜异种金属，从热力学与动力学的角度研究界面化合物层的生成与长大过程，研究焊接热输入对晶体生长规律的影响。五、计划进度、预期进展和预期成果年度研究计划：2013年9月-2013年12月：查看国内外相关资料，了解铝/铜异种金属的焊接方法，以及铝/铜金属间化合物的相组成及扩散学相关知识。2013年12月-2014年3月：搭建脉冲铝/铜异种金属MIG焊平台。2014年3月-2014年5月：对焊接接头进行机械性能和微观组织分析。2014年5月-2014年9月：研究焊缝金属间化合物的形成机理，建立扩散模型。2014年9月-2015年2月：研究焊接热输入与过渡层厚度的关系。2015年3月-2015年5月： 硕士论文撰写。预期研究结果：1) 建立基于脉冲旁路耦合电弧MIG焊方法的铝与铜异种金属熔钎焊理论体系。2) 发表论文12篇。六、 六、与本课题有关的工作积累、已有的研究工作成绩a1.已经采用脉冲旁路耦合MIG焊用4047焊丝在T2铜板上进行堆焊试验。得到良好的焊缝成形，焊缝形貌如图11，焊缝剖面照片如图12。 图11 铝与铜的焊缝形貌 图 12 铝与铜焊缝剖面宏观照片2. 通过SEM、EDS和XRD对焊接接头的中心界面过渡区进行观察与分析。图13为不同焊接电流下焊缝结合界面组织形貌照片，放大倍数都为1000倍，其中a总电流75A、主路电流50A，b总电流85A、主路电流60A，c总电流95A、主路电流70A，可以看出随着焊接热输入的增加，金属间化合物的厚度增加，形态也越来越粗大。 图13 不同焊接电流下铝与铜的焊缝形貌由Al-Cu二元相图（如图14所示）可知，铝铜相互作用可以形成Cu9Al4、Cu4Al3、Cu3A12、CuAl2、CuAl等等一系列金属间化合物。但在电弧熔钎焊时，并不是所有的金属间化合物均能形成和长大的，需要对界面反应层中的化合物进行进一步物相的确定。图 14 Al-Cu相图对金属间化合物层进行EDS点扫描，结合铝铜相图，得出从铜侧到铝侧主要生成Cu9Al4、块状的CuAl2金属间化合物和絮状的(Al) +(CuAl2)共晶体，如图15所示。 图 15 焊接接头的中心界面区显微组织为了分析界面微观组织的物相，对焊接接头界面中心的金属间化合物进行元素线扫描分析，结果如图16所示。在界面中心区Al和Cu元素的含量分布较为均匀，且出现了平台，因此，焊接接头界面中心区反应层的物质应为铝铜金属间化合物。图 16 界面区元素线扫描 对接头过渡区进行面扫描，得出元素分布情况，如图17，铜向铝中的扩散要远远大于铝向铜中的扩散，而且焊缝中有硅的富集。 图 17 界面区元素面扫描 为了进一步确定熔钎焊接头界面中心区的化合物组成，分别对铝堆高试样和T2铜板基材试样的剥落面进行XRD图谱分析，表明有金属间化合物CuAl2生成，如图18所示。 图 18 铝堆高试样剥落面和T2铜钢板基材试样剥落面的XRD图谱七、研究经费预算计划和经费落实情况经费充足。八、参考文献1 孟庆森, 王文先, 吴志生. 金属材料焊接基础M. 北京：化学工业出版社, 2005, 12. 2 李亚江, 王娟, 刘强. 有色金属焊接及应用M. 北京: 化学工业出版社, 2006, 3. 3 刘中青, 邸斌. 异种材料的焊接M. 北京: 科学出版社, 1990. 4 李亚江, 王娟, 刘鹏. 异种难焊材料的焊接及应用M. 北京: 化学工业出版社, 2003, 12.5 中国有色金属工业信息中心.世界铜铝铅锌产量、消费量统计J.世界有色金属,2008,(7):68-69.6 潘雄.2020年我国有9种矿产资源严重短缺J.功能材料,2008,5(2):41.7 刘会杰,闫久春,魏艳红.焊接冶金与焊接性M.北京：机械工业出版社，2007.38 顾曾迪.有色金属焊接M.北京:机械工业出版社,1995:42一43.9 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