1、 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）外文翻譯 題目 鈦和鋁合金之間用蓋板電阻點(diǎn)焊焊接的接頭特性專 業(yè) 名 稱 焊接技術(shù)與工程 班 級 學(xué) 號 118104101 學(xué) 生 姓 名 敖文濤指 導(dǎo) 教 師 胡德安 填 表 日 期 2015 年 4 月 3 日鈦和鋁合金之間用蓋板電阻點(diǎn)焊焊接的接頭特性by Ranfeng Qiu*, Katsuya Higuchi*, Shinobu Satonaka* and Chihiro Iwamoto* 我們使用帶蓋板的電阻點(diǎn)焊焊接純鈦和A50522鋁合金板，并研究了接頭力學(xué)性能和界面結(jié)構(gòu)。利用透射電子顯微鏡觀察界面微觀結(jié)構(gòu)。在觀察焊接接口的過飽和鈦鋁固溶體層大約160nm處，

2、其中有TiAl3的沉淀物。力學(xué)性能分析表明，該反應(yīng)層沒有影響接頭的拉伸剪切載荷。關(guān)鍵詞：電阻點(diǎn)焊；鈦；鋁合金；蓋板；抗拉剪載荷；界面；反應(yīng)層目 錄 1.簡介.1 2.關(guān)于帶蓋板的電阻點(diǎn)焊.1 3.實(shí)驗(yàn)過程.2 4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論.34.1 界面微觀結(jié)構(gòu).34.2 接頭的力學(xué)性能.64.3 接頭的拉伸剪切負(fù)載對界面反應(yīng)層的影響.8 5.結(jié)論.9參考文獻(xiàn)101.簡介鈦及其合金是一種在工業(yè)應(yīng)用中最具吸引力的工程金屬，因?yàn)樗麄儽憩F(xiàn)出優(yōu)越的性能，如高的強(qiáng)度，疲勞壽命，韌性，優(yōu)良的抗腐蝕、低密度。然而，鈦及其合金的應(yīng)用由于材料的成本過高限制了其應(yīng)用。在另一方面，異種材料間完美的接頭使多材料設(shè)計(jì)方法和低成本

3、制造過程被采用。因此，鈦（及其合金)和其他材料的連接是必不可少的如鋁合金，鈦及其合金有效的利用低成本制造，并擴(kuò)展他們的應(yīng)用。然而，鈦和鋁合金的連接伴隨著一些困難，因?yàn)閮煞N材料之間的物理和熱性能的差異較大，而在焊接接口形成脆的反應(yīng)產(chǎn)物。為了避免鈦和鋁合金之間在焊接接口的反應(yīng)，以往研究都集中在固態(tài)接合，如，摩擦焊接，真空滾焊和擴(kuò)散焊。在另一方面，電阻電焊（RSW)被廣泛使用在很重要的薄板產(chǎn)品焊接過程中；然而，迄今為止鈦合金和鋁合金之間的RSW只有很少一部分研究已報到。在以前的研究中，我們已經(jīng)焊接鋼到鋁合金板，并使用點(diǎn)焊蓋板技術(shù)在低焊接電流的焊接條件下進(jìn)行獲得更強(qiáng)的焊縫。這是眾所周知的，也有在鋼和鋁

4、合金之間的點(diǎn)焊過程中，來自于基體材料和脆性反應(yīng)產(chǎn)物在焊接界面之間形成而引起的物理和熱性能大的差異問題。同樣的問題也出現(xiàn)在鈦/鋁的電阻點(diǎn)焊過程。在本研究中，因此，我們也采用這種方法焊接對鈦鋁合金，調(diào)查接頭的界面微觀結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度，并分析反應(yīng)層對接頭的機(jī)械性能的影響。2.關(guān)于帶蓋板的電阻點(diǎn)焊眾所周知的，RSW的根據(jù)來自被電極力固定在一起的板通過電阻和電流流動的焦耳作用得到的熱源加工過程。在此過程中，在改點(diǎn)搭接面的區(qū)域中發(fā)生凝結(jié)。因此，在鈦和鋁合金的電阻點(diǎn)焊過程中，非常高的電流是必需的因?yàn)榈蜔崃康漠a(chǎn)生鋁合金的熱傳導(dǎo)高。然而，巨大的焊接電流將降低電極頭壽命，需要安裝大容量的點(diǎn)焊機(jī)。為了能使鈦鋁合金在相對較

5、小的電流條件下點(diǎn)焊，我們提出了用蓋板點(diǎn)焊技術(shù)。圖1顯示了該焊接工藝流程示意圖，其中蓋板放在鋁合金板上。這里，它被要求蓋板具有比鋁合金更差的導(dǎo)電性的金屬片，所以蓋板上的高熱量可以從蓋板向鋁合金傳遞。以較低的成本和可用性的考慮，我們選擇了冷軋鋼板SPCC作為蓋板。在本研究中，也準(zhǔn)備比較鋁合金板類似材料和鈦鋁合金異種材料連接的接頭強(qiáng)度。在這種情況下，鋁合金板被放置在兩蓋板之間。圖1與蓋板焊接點(diǎn)示意圖3.實(shí)驗(yàn)過程在這項(xiàng)研究中，1.0毫米厚的工業(yè)純鈦（Ti）的薄片和鋁合金A5052（A5052）片被用作母材。其化學(xué)組成列于表1。使用交流點(diǎn)焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊。圖2示出了接頭的結(jié)構(gòu)和尺寸，在這采用1毫米30

6、15;40×SPCC的蓋板。焊接條件列于表2中，其中所述焊接電流和電極壓力分別不同。表1 材料的化學(xué)成分分析材料元素（質(zhì)量）A5052MgFeCrSiMnCuAl2.570.270.190.090.030.02BalTiHONFeTi0.0130.150.050.20Bal表2焊接條件 設(shè)置1 設(shè)置2焊接電流 6-12KV 10KV焊接時間 10周期 10周期電極壓力 4KN 1-6KN 電極 Cu-Cr合金;錐形電極尖端（ø6）預(yù)處理 脫脂處理用丙酮接頭的界面微觀結(jié)構(gòu)是用透射電鏡觀察（TEM；TECNAI F20，加速電壓：200 kV）配備一個掃描單元和能量色散X射線光

7、譜（EDX）探測器。用薄箔，將其制備用離子銑削（3keV氬）切片片從焊接試樣機(jī)械研磨之后進(jìn)行TEM觀察。此外，該界面區(qū)域中的化學(xué)組合物使用的EDX用電子束探針的直徑約為10納米進(jìn)行了檢查。為了檢驗(yàn)接頭的力學(xué)性能，在常溫下進(jìn)行了十字頭X10-5毫秒-1的速度拉伸剪切試驗(yàn)。拉伸剪切試驗(yàn)后從斷裂面測得焊接直徑。圖2 接頭的配置和尺寸的4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論4.1界面微觀結(jié)構(gòu)圖3顯示了接頭的截面的光學(xué)顯微圖像，這是焊接電流8 kA的條件下焊接的。在畫面中，鼓形熔核中觀察到的A5052，其厚度比在中心的原始厚度更薄。相反，在相鄰的焊接鈦/鋁A5052界面沒有觀察到融合區(qū)。其他接頭在不同焊接條件下焊接也圖3

8、 橫截面的光學(xué)顯微鏡照片觀察到了類似的形態(tài)。此外，熔核中心觀察到的一些氣孔如圖3所示。在最近的文獻(xiàn)中，格安A.等人聲稱，過度的孔隙率（高達(dá)40%的熔核直徑）不在剪切時保持一個恒定的6.3毫米直徑，影響焊接焊縫的靜態(tài)性能，研究了不連續(xù)的人影響焊縫的靜態(tài)和疲勞性能的電阻點(diǎn)焊鋁合金接頭。在這項(xiàng)研究中，因此，根據(jù)其抗拉剪載荷研究結(jié)果在熔核形成氣孔不影響接頭。圖4a示出的掃描透射電子顯微鏡（STEM）拍攝的圖像來自10 kA的焊接電流的條件下焊接接頭的界面區(qū)域。可以看出有五個層次（U-Y）。圖4b顯示了從圖4a中所示的線MN的EDX分析的結(jié)果。表3總結(jié)了元素的Ti，Al和Mg在圖4a中所示的典型點(diǎn)A-G

9、的濃度。它是可見的層U基體金屬Ti，根據(jù)結(jié)果EDX能譜給出的圖4b和表3分析Y 和W層基體金屬A5052。如圖所示圖4a中，在基金屬鈦（層U）和A5052（層W）之間約為160 nm的厚度一層（V層）觀察。EDX分析表明它是一個擴(kuò)散反應(yīng)層。然而，Ti元素的含量高于Ti元素在Al中的溶解度。這種過飽和固溶體認(rèn)為是點(diǎn)焊過程中由于冷卻速度較快形成的。此外，應(yīng)該注意的是出現(xiàn)了具有Al和Ti的穩(wěn)定組合物的區(qū)域（圖4b帶標(biāo)記的黑色箭頭）（鋁：鈦3：1）。這表明，一些化合物在那里形成。為了闡明該擴(kuò)散反應(yīng)層的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，我們觀察到的焊接接口用TEM。圖5a示出了反應(yīng)層的一個典型明場像。在圖像

10、中，對部分析出粒子進(jìn)行觀察。圖5b顯示選定的粒子的電子衍射圖案。根據(jù)電子衍射譜的分析，發(fā)現(xiàn)析出粒子TiAl3。得到類似的結(jié)果為西尾K.等人，通過界面微觀結(jié)構(gòu)的研究了AlTi復(fù)合材料產(chǎn)生的真空滾動焊接方法。他們還觀察到，Ti和Al的過飽和固溶體（FCC晶體）的超細(xì)晶帶內(nèi)的析出物TiAl3（D022型）。圖4.整個焊接區(qū)STEM顯微（a）的分析線和EDX（b）分析的結(jié)果表3的結(jié)果，EDX分析顯示在圖4a的點(diǎn)(at %)ABCDEFGTi99.8598.6728.231.272.230.940.6Al0.141.1870.1994.5888.4495.2395.99Mg00.131.574.139.

11、323.813.39此外，富鎂層（層X），在A5052的焊接接口附近觀察到，其中鎂元素的含量超過臨界限元素Mg和Al（1.9 %.100°C）。雖然該層的形成的起源仍不清楚，點(diǎn)焊過程中快速冷卻速率是產(chǎn)生富鎂層的一個可能原因。圖5 在焊接界面的TEM圖像觀察（a）從選定的粒子的電子衍射數(shù)據(jù)（b），入射電子束方向平行于 131 尾崎H.等人。具有焊接純鈦鋁合金A5052片用激光焊接在輥，其界面反應(yīng)也發(fā)生了鋁熔體與固體鈦之間。他們在焊接界面觀察到1-10m厚的反應(yīng)層。與他們的結(jié)果相比，該反應(yīng)層（層），形成在電阻點(diǎn)焊的焊接界面結(jié)合在這項(xiàng)研究中獲得的焊接接頭，較薄。這被認(rèn)為是由于點(diǎn)焊

12、的時間較短，所以反應(yīng)層的厚度收到影響。4.2 接頭的力學(xué)性能一般情況下，焊接電流和電極壓力對接頭的熔核直徑和拉伸剪切載荷有影響。在這一節(jié)中，我們調(diào)查了用蓋板RSW的焊接的焊接參數(shù)和接頭熔核直徑，拉伸剪切負(fù)載之間的關(guān)系。圖6 焊接電流對拉伸剪切負(fù)載和接頭焊接直徑的影響圖6示出了設(shè)置1的焊接條件下焊接電流對焊接接頭的拉伸剪切負(fù)荷和熔核直徑的影響。如圖所示，焊接電流的增加使接頭的熔核直徑和拉伸剪切負(fù)載增加，在10KA以上焊接電流的增加對接頭的拉伸剪切增加的較慢。此外，該接頭斷裂類型取決于焊接電流的變化。6KA焊接電流接頭的斷裂類型為剪切斷裂，6KA以上的焊接電流為塞斷裂。在點(diǎn)焊，熱輸入與焊接電流的增

13、加而增加，導(dǎo)致熔核直徑的增大。如圖6所示，接頭的拉伸剪切負(fù)荷隨焊接電流的增加而增加。影響接頭抗剪強(qiáng)度斷裂和塞斷裂的主要因素是由于熔核直徑的增加。然而，隨著焊接電流的增加，如圖3所示的接頭厚度的減小，這是另一個重要影響因素對塞斷裂強(qiáng)度。因此，在焊接電流高于10KA，所述的接頭的拉伸剪切負(fù)荷的增加是輕微的。圖7.電極壓力對接頭的拉伸剪切負(fù)荷和焊接直徑的影響圖7示出了設(shè)置2的焊接負(fù)載下電極壓力對焊接接頭的拉伸剪切負(fù)荷和熔核直徑的影響。電極壓力的增加會使熔核直徑和接頭拉伸剪切載荷降低。這是由于以下兩個原因造成的。首先，這是由于高電極壓力造成優(yōu)良的薄片分離，抑制熔核的生長。其次，在焊接區(qū)域的能量密度減少

14、，這是由于電極壓力的增加造成電極和板之間的接觸面積增大，從而引起初始接觸電阻的減少以及電極能量輻射的增強(qiáng)。對于接頭的斷裂方式，接頭通過電極力的斷裂類型是塞斷裂。如圖7所示由焊接電流10KA和電極力1KN的焊接條件下焊接拉伸試驗(yàn)得到的最大拉伸剪切載荷6.4KN。Ichikawa R.和Ohashi T.使用常規(guī)點(diǎn)焊焊接1.0mm工業(yè)鈦合金和鋁合金5052-H34，在5.7KA的焊接電流和320Kg（3.136KN)的拉伸剪切載荷的焊接條件下得到了5.5mm的熔核直徑。在與他們的比較結(jié)果，本研究獲得的接頭具有較高的抗拉剪載荷和較大的熔核如圖6和圖7。根據(jù)美國國家標(biāo)準(zhǔn)，熔核直徑大于4t1/2（t代表

15、試樣的厚度）是電阻點(diǎn)焊接頭的要求；從這個角度來看，接頭與蓋板點(diǎn)焊焊接熔核直徑也足夠大。他歸因于蓋板上的熔核形成的效果。也就是說，在蓋板中產(chǎn)生大的熱，由于其低的導(dǎo)電性，轉(zhuǎn)移到焊接區(qū)的鋁合金，提高了焊接區(qū)熱，導(dǎo)致更大的熔核的形成。在這項(xiàng)研究中，最優(yōu)化的焊接條件是1.0KN電極力和10 kA的焊接電流的條件下，由于在這樣的焊接條件下能得到最大拉伸剪切負(fù)荷接頭。4.3 接頭的拉伸剪切負(fù)載對界面反應(yīng)層的影響通常，異種材料的點(diǎn)焊在熔核直徑和界面反應(yīng)層影響接頭的強(qiáng)度。在這一節(jié)中，我們通過使鈦/ A5052接頭和類似的材料接頭A5052/ A5052之間的比較討論在Ti/ A5052接頭的拉伸剪切載荷下的界面

16、反應(yīng)層的效果。圖8示出鈦/ A5052接頭和A5052/ A5052接頭之間的熔核直徑和拉伸剪切負(fù)載的關(guān)系。這兩種類型的接頭，在A5052/ A5052和Ti/ A5052，顯示該拉伸剪切負(fù)荷增加使熔核直徑的增大。同熔核直徑下，異種材料連接的Ti / A5052與不反應(yīng)層形成的A5052/ A5052接頭顯示幾乎相同的拉伸剪切負(fù)載。觀察接頭的拉伸試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)斷裂，斷裂發(fā)生在母材A5052。因此，上述結(jié)果表明，在Ti/ A5052接頭的拉伸剪切強(qiáng)度對所形成的焊接界面反應(yīng)層無明顯影響。圖8接頭的焊縫直徑和拉伸剪切載荷之間的關(guān)系5.結(jié)論在這項(xiàng)研究中，我們使用電阻點(diǎn)焊用蓋板焊焊接商用純鈦片和鋁合金A50

17、52片材。通過對接頭界面結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能評價接頭的性能。從本研究獲得的主要結(jié)果如下：1. 它是可行的，通過使用蓋板RSW方法焊接鈦合金板和鋁合金板。在相對較低焊接電流條件下獲得的大熔核和高拉伸剪切強(qiáng)度。2. 在Ti/A5052接頭焊接界面觀察過飽和Ti/Al固溶體層，其中包含的析出相TiAl金屬間化合物。3. 蓋板點(diǎn)焊焊接鈦/A5052的反應(yīng)層對接頭的拉伸剪切強(qiáng)度無影響。參考文獻(xiàn)1 Katoh K. and Tokisue H. : Friction welded 5052 aluminum alloy to pure titanium joi, Journal of Japan Institu

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