金屬板材冷壓焊工藝試驗(畢業(yè)論文)解析

7畢業(yè)論文作者：學號:學院：材料科學與工程學院系(專業(yè)):焊接題目:金屬板材冷壓焊工藝試驗指導者:教授評閱者:年6月8日畢業(yè)設計（論文）中文摘要金屬板材冷壓焊工藝試驗摘要：冷壓焊是在室溫下，借助壓力使待焊金屬產生塑性變形而實現固態(tài)焊接的方法。通過塑性變形擠出連接部位界面上的氧化膜等雜質，使純金屬緊密接觸，達到晶間結合。本試驗對鋁/銅和鋁/鐵兩組材料進行了冷壓連接，壓下率分別為50%、55%、60%、70%和50%、50%、60%、65%。通過連接板材的剝離試驗，發(fā)現65%壓下率為Al/Cu板材連接的臨界變形量，60%壓下率為Al/Fe板材連接的臨界變形量。本文研究了銅鋁及鐵鋁異種金屬間冷壓焊的焊接工藝及焊縫組織狀態(tài)的分析。初步得出結論為：隨壓下率的升高，界面有效結合（由表面硬化層破裂促使界面金屬的相互嵌入）區(qū)域增加，增大了界面結合強度。由于塑性變形促使異種金屬原子間形成金屬鍵，從而達到連接的效果。關鍵詞：冷壓焊異種金屬銅鋁鐵鋁壓下率畢業(yè)設計（論文）外文摘要TitleSheetmetalcoldweldingprocesstestAbstractTheColdweldingisamethodwhichisatroomtemperature,withtheaidofpressuretoachievesolidstateweldingtoweldmetalplasticdeformation.Thealuminum/copperandaluminum/Ironcladsheetwasmanufacturedbycoldpressingcompositemethod,andreductionrateinthicknessare50%,55%,60%,70%and50%,55%,60%,65%.Throughcladsheetpeeltestresult,itisshowedthat65%reductionrateinthicknessisthresholddeformationofAl/Cucladsheet,60%reductionrateinthicknessisthresholddeformationofAl/Ironcladsheet.Thispaperstudiesthecopperaluminumandironandaluminumcoldweldingbetweendissimilarmetalsweldingprocessandweldorganizationstateanalysis.Preliminaryconclusionsare:withthereductionrateincreasing,effectiveinterface(mutuallyembeddedbythesurfacehardenedlayeroftheinterfaceofmetalrupture)regionexpanded,andtheinterfacebondingstrengthenhanced.Causeplasticdeformationofdissimilarmetallicbondisformedbetweenthemetalatoms,soastoachievetheeffectoftheconnection.Keywords：coldweldingDissimilarmetalCopperandaluminumIronandaluminumreductionrate7-目錄TOC\o"1-4"\u1緒論 ②頂壓次數達到合適的壓縮量是完成冷壓連接的重要一步，而最終的壓縮量并不是頂壓一次就能完成的。塑性好及塑變硬化小的焊件，壓縮量一般不能超過焊件的厚度或是直徑，頂壓一次即完成連接；而硬度偏大的焊件，壓縮量一般不少于工件的厚度或是直徑，并且要經過多次頂壓后才能完成焊接。冷壓焊連接時對大部分的工件的頂壓次數最好不要多于三次。冷壓焊時最小壓縮量與頂壓次數的關系如下表。表2.6壓縮量與頂壓次數的關系材料名稱每一工件的最小總壓縮量頂壓次數圓形件（直徑d/mm）矩形件（厚度t/mm）鋁與鋁（1.6-2.0）d（1.6-2.0）t2鋁與銅鋁（2-3）d、銅（2-3）d鋁（2-3）t、銅（2-3）t3銅與銅（3-4）d（3-4）t32.4冷壓焊試驗影響因素在冷壓連接的過程中，兩金屬之間被壓接達到某一數值的原子間距時便會產生原子之間的連接。在這一過程下試件的表面情況、塑性變形率、頂端壓力、約束模具等是影響冷壓連接整個過程以及結果的主要因素。2.4.1試件表面情況的影響試件的表面總是存在著一些雜質和氧化膜，所以只有保證試件之間相互接觸的地方的潔凈常溫下的壓接才能正常進行。其中氧化膜在巨大的壓力下會形成一層很細的薄膜，在擠壓過程中這層膜很難被排除連接面。由此看出表面的潔凈情況直接影響到了試件的連接，如果在真空的環(huán)境下可以不考慮氧化膜的影響。另一個對結合有一定影響的因素就是試件表面的粗糙度。對一般的試件而言粗糙度并沒太高要求，只有試件的變形率不超過20%時，試件的表面會被要求具有較小的粗糙度。正常的金屬試件表面并不是光滑的，在微觀下試件的表面上都是凹凸不平的金屬點，這些凹槽與凸起在連接過程中會增加金屬試件連接面的面積，從而使達到穩(wěn)固連接的面積增大2.4.2焊接壓力的影響冷壓焊顧名思義壓力就是這個焊接方法的重點，所以焊接壓力的大小決定了試件質量的好壞。試件搭接時，壓力偏大會導致試件的斷裂以及底層金屬嚴重變形甚至被壓透，最終試件被破壞。試件對接時，材料受到壓力導致彎曲變形的不適合冷壓連接，因為壓力增大很可能回事試件發(fā)生折斷。無論是什么樣的接頭形式，過小的壓力都會是冷壓連接面不能形成穩(wěn)固的結合面，即無法完成真正意義上的焊接。2.4.3約束模具的影響冷壓焊的試件結合面積和形狀都受限于焊接約束模具的形狀大小，因此冷壓連接中約束模具決定了最終產品接頭的機械性能以及最終的連接質量。正因如此，從某些方面來說冷壓模具限制了冷壓焊的發(fā)展，模具的大小必定具有一定局限性，從而使得冷壓機械設備在實際應用中的廣泛性并不是很高。2.5冷壓焊試驗過程由于課題研究需要，一方面為了在不影響試驗結果的前提下盡量的減少材料的浪費；另一方面考慮到當今世界發(fā)展中各項技術都在朝著減少設備重量、節(jié)省原材料、控制成本等方向前進，所以本次實驗我們選擇了做兩組，一組是銅鋁異種金屬的冷壓焊，另一組是鋁與超低碳鋼之間的冷壓焊。因為實驗過程幾乎完全相同，因此以銅鋁異種金屬冷壓焊的試驗過程為例。首先將試驗裝置裝配好，金屬表面經過清洗、去除氧化膜之后，立刻疊放在一起，并將其放入裝置中，然后將自制的裝置安放在支撐板上，為保證壓力在均布施加在壓頭上，必須使其中心與液壓立柱的中心位于一條直線上。安放完畢之后，立刻進行冷壓焊試驗。冷壓焊的連接試驗主要分為準備待壓試件、待壓試件的表面清理、試件的冷壓試驗、制備金相、觀察與采集金相照片五大步驟，下面將會分別對其實驗的步驟詳細說明。2.5.1準備待壓試件綜合考慮課題要求、試驗設備、原料成本、試驗時間等因素，最后選擇將試件加工成合適的尺寸。試驗用的鋁為純鋁板，鋁的厚度有兩種尺寸分別為1mm和3mm，其長度和寬度分別為20mm×18mm；試驗用的工業(yè)純銅，尺寸為20mm×18mm×1mm；試驗用的鐵為超低碳鋼，尺寸為20mm×18mm×3mm。2.5.2待壓試件的表面清理由于冷壓焊是將工件壓緊并達到原子間的結合，所以被焊金屬表面狀態(tài)必須較好,通過2.2.2的介紹我們可以清楚的了解到這一步是非常重要的。首先，用丙酮溶液在超聲波清洗器中清洗待連接工件表面的油污，之后用純酒精清洗工件的表面，最后獲得潔凈的表面。當表面上的油污清理完畢之后，立即用如圖2.4的鋼絲刷打磨工件的表面。打磨處理后不僅在表面上形成了一層加工硬化層而且增加了表面的粗糙度。一方面加工硬化層在外力的作用下會迅速破裂，另一方面表面粗糙度的增加會加大接觸表面金屬的塑形變形。圖2.4清理試件用的鋼絲刷2.5.3試件的冷壓試驗將清理好的具有一定尺寸的板材疊放在一起后進行鍛壓，然后對壓件采用多次壓接，不同的壓件所受的壓力不同，如Al/Cu壓接時，采用三次的壓接，每次壓接時作用在壓接面上的應力分別是350MPa、700MPa、1050MPa，同樣Al/Fe的壓接面也是如此，之后舊界面與新界面共同組成了冷壓焊搭接的焊接界面。在此壓焊工藝中確保金屬具有一定的延展率，才可以獲得良好的焊接效果。由于此焊接工藝所使用的焊接設備可以小型化，因此該工藝在現實生產中應用極其廣泛。圖2.5為冷壓焊連接接工藝的焊接原理簡圖。圖2.5金屬冷壓連接示意圖試件壓接完成后對試件進行擴散退火。擴散退火工藝：退火溫度分別為300℃、400℃、500℃；保溫時間為半小時；采用空冷冷卻方式。等溫擴散退火處理的目的一方面是間接證明明連接界面原子間的距離達到了原子間作用的范圍，另一方面促進原子的互擴散，當界面不出現硬脆的金屬間化合物時，可以實現增大和穩(wěn)定結合區(qū)的作用。2.5.4制備金相由于壓接后的試樣較薄，不便于在砂紙上磨擦及后續(xù)的拋光，所以要先使用金相試樣鑲嵌機對其進行鑲嵌，待鑲嵌結束后，在三張不同粒度的砂紙上進行磨光，然后進行拋光，拋光后4%的硝酸酒精中浸蝕，烘干后等待下一步的觀察。2.5.4.1試樣的鑲嵌

①通過砂輪機打磨經熱處理后的工件試樣，使其縱面得到一個矩形小平面，以便于鑲嵌試樣；

②開通電源，讓溫度升高，在操作前應該及時去除上下模塊上的電木粉末；

③待溫度達到設置的130度時，調節(jié)手輪，此時上模和下臺是平行的，然后把試樣待觀察面向下放在下模，轉動手輪，使下模及樣品下沉。加入填料，使其與下平臺平行，然后把上模壓在填料上；

④合上蓋板，迅速轉動八角旋鈕，使八角旋鈕上的螺桿頂在上模。緊接著馬上轉動手輪使下模往上移動看到壓力燈亮后停止，必須再多轉動一圈。在制備試樣過程中，如果壓力燈熄滅，必須立刻加壓直到看到壓力燈亮起，并多轉動一圈；

⑤讓試樣在設備中合適的溫度下保持5分鐘，直到試樣鑲嵌完成；

⑥取樣的過程：泄壓到指示燈熄滅，然后使上模頂出，頂至上模下邊緣與下平臺平行，將上模脫開，然后按同樣的方法把樣品取出即可；

⑦將鑲嵌好的試樣在砂輪機上進一步打磨，使圓柱的正面暴露出的矩形面積足夠大，使圓柱的背面保持平整，以便于觀察金相。2.5.4.2試樣的打磨與拋光金相試樣是經過熱處理后的鑲嵌得到的試樣。試樣先用砂輪打磨去掉表面約2㎜以除去氧化層、磨平、倒角，在一側測試硬度（所用設備為維氏硬度計），另一側用500#～1000#四道水砂紙手磨，之后在拋光機上進行拋光，然后用4％硝酸酒精溶液進行腐蝕，腐蝕時間為15到20秒，浸蝕后試樣立即用水沖洗干凈，再用酒精沖洗干凈脫去水分，然后在熱吹風機下吹干試樣，最終如圖2.6試樣制作完畢。圖2.6金相試樣(a)Al/Cu試樣,(b)Al/Fe試樣2.6觀察與采集金相照片冷壓連接接頭的性能是由它自身的微觀屬性決定的。所以我們只有對試件進行金相分析才能進一步了解和探究冷壓連接的機理，通過微觀實際所呈現出來的情況來判定此次試驗是否達到了預期的效果。以下便是這次試驗所采集到的金相照片。圖2.7200倍的顯微鏡下，鐵鋁試樣接頭的微觀圖圖2.840倍和100倍的顯微鏡下，銅鋁試樣接頭的微觀圖3試驗結果分析由于本次試驗我們采用的是常溫下靜壓力法對被焊試件施加壓力，金屬試件會產生塑性變形，而不會像鍛壓那樣產生大量熱量。查閱資料之后了解到在有濃度差但無較大熱能的情況下，金屬間不會產生擴散，因此試驗的過程中基本不會產生大量的金屬化學物。由此可以認為冷壓焊的結合能全部來自于金屬受到壓力后產生的塑性變形能。3.1金相分析通過圖2.7、圖2.8我們可以看出異種金屬在冷壓連接時，金屬表面不可能絕對的平整，所以開始接觸時只是部分較突出的地方接觸，隨著不斷的增加的壓力，初期相互接觸的地方就會發(fā)生塑性變形。觀察上圖就能發(fā)現其結合面兩側的鐵和鋁，及銅和鋁的晶粒組織均發(fā)生了滑移和變形，此時位于低位置的地方也可以接觸到。之后伴隨著壓力的繼續(xù)增大，金屬表面的接觸面積會不斷的增加直至形成牢固的結合面。本試驗對鋁/銅和鋁/鐵兩組材料進行了冷壓連接，以上金屬組配的壓下率分別為50%、55%、60%、70%和50%、55%、60%、65%。通過結合界面剝離試驗的驗證，在65%和70%的壓下率下鋁/銅連接板得到了良好的連接，鋁/鐵連接板在60%和65%的壓下率下得到了良好的連接。在冷壓連接前，由鋼刷處理過的組元表面形成了一定的表面粗糙度，待連接試件界面形貌呈凹凸不平的波紋狀，在冷壓焊初期一開始金屬表面就有凸點與凸點這一形式的接觸，但在實際接觸條件中，結合面上的每個凸起上又有許多微凸起，它們之間也會發(fā)生相互作用由于在冷壓焊中所施加的壓力較大，一般要高出屈服應力許多倍。特別是在凸起點所受單位壓力會更高。這樣在巨大的壓力作用下表面加工硬化層優(yōu)先破裂的地方發(fā)生在凸點與凸點相互接觸的部分，同時使相對軟的純金屬從裂縫中擠出且嵌入對方已形成裂口的基體形成物理接觸，在巨大的壓力下金屬無限接近達到原子間力的作用范圍內時，就形成了牢固的連接。隨著壓下量的增大，嵌入部分受到的壓力高于了其壓縮塑性極限，以致被壓潰壓平，由此裂紋的寬度變大，最終形成了更大的結合面積。3.2過程分析從冷壓連接的過程來看，實現結合需要兩個階段，一是，金屬表面氧化膜的破裂；二是，相互接觸的純金屬達到原子間的作用范圍。然而這兩個階段發(fā)生的前提是在巨大的壓力下產生大量塑性變形。壓接過程中發(fā)現接近焊縫處晶粒尺寸較小，遠離焊縫的組織均勻，晶粒尺寸相對較大，接近焊縫處的鋁金屬晶粒沿焊縫縱向尺寸遠大于沿焊縫橫向尺寸，而遠離焊縫的位置，鋁金屬晶粒是較為均勻的等軸晶，可以推斷在焊接過程中，接近焊縫處鋁金屬晶粒由于受壓而發(fā)生了變形。上述現象可以認為晶粒的變形和滑移是由于金屬被擠壓產生大量塑性變形時形成的。由于靠近縫區(qū)處的金屬晶粒組織結構在壓力作用下,不斷的發(fā)生著塑性變形，其晶粒尺寸變得越來越小,接觸面積很大，堆積的很密集，因此處于這塊區(qū)域的金屬組織的強度和韌性均較高。觀察可以看出在冷壓焊工藝下，兩金屬壓接接頭處并沒有出現較多的界面產物。分析認為，這是因為在冷壓壓接過程中,熱能及其他能量不足，使得其大范圍出現界面產物的能量要求不能得到滿足。綜上我們可以認為金屬冷壓焊連接的原理主要是基于兩方面，一方面，在冷壓焊壓接過程中產生的塑性變量非常大，兩金屬在巨大的壓力和塑性變形下無限接近，當金屬原子靠近到一定距離時,他們周圍的電子云會進行重新分布,形成金屬鍵；另一方面，冷壓焊時由于壓力很大，會產生塑性變形，此時的晶粒會持續(xù)的細化,因此兩種金屬接合面處的晶體會不斷靠近，當達到原子引力的距離時,處于結合面處的金屬原子會產生鍵和力。

結論異種金屬冷壓焊過程中，兩金屬間在外界壓力下通過協調一致塑性變形,擠出連接部位界面上的氧化膜等雜質，同時伴隨著兩異種金屬界面處晶粒的細化,使得金屬結合面處的接觸面積不斷增大,并且晶粒無限接近達到原子尺寸級別。而如此近的距離破壞了原來原子中的電子云分布，使原子中的電子發(fā)生了遷移及重新分布,達到新的穩(wěn)定的狀態(tài)。從而實現了金屬間的穩(wěn)定連接，這便是異種金屬冷壓焊的微觀結合機理。由Al/Cu和Al/Fe冷壓連接過程中試件變形規(guī)律發(fā)現，在冷壓連接過程中，隨著壓下量的增大，各組元之間變形量的差異由大變小，兩組元金屬的變形趨于一致。本試驗運用冷壓連接裝置進行了Al/Cu和Al/Fe兩種組配的冷壓試驗，試驗發(fā)現在65%和70%的變形量下鋁/銅連接板得到了良好的連接，鋁/鐵連接板在60%和65%的變形量下得到了良好的連接，且能滿足工程上的要求。

參考文獻[1]溫力民，劉燕，楊永強，魏國強.鋁銅異種金屬冷壓焊及其焊縫接頭顯微組織和性能.焊接技術，2007,03.[2]亢世江,呂玉申,陸軍芳.金屬冷壓焊結合機理的試驗研究[J].機械工程學報.1999(02).[3]亢世江，劉志強，李致煥，石振玲.不同硬度金屬的冷壓焊.焊接技術，1988（06）.[4]李云濤,杜則裕,馬成勇.金屬冷壓焊界面結合機理探討[J].天津大學學報(自然科學與工程技術版).2002(04).[5]洪麗玲,辛選榮,張珂珂,劉汀.銅鋁接頭壓接-擴散復合連接工藝及試驗[J].焊接學報.2009(01).[6]郝長嶺.異種金屬冷壓焊焊接過程數值模擬及連接機理的研究.2003[7]白海明,亢世江,王海龍,張炳華等.冷壓焊接頭形式及其連接性能研究.河北省焊接學會論文集.2012,(1):J9~J13[8]張耀.冷壓焊中的擴散行為及其對結合性能的影響[D].天津:河北工業(yè)大學,2007.[9]陳翠欣,韓文祥,林成新.雙金屬冷壓焊固相結合強度的分析計算[M].金屬成形工藝,2001,19(2).[10]張炳華,亢世江,王海龍,白海明等.密度泛函理論在分析冷壓焊界面作用行為中的應用.河北省焊接學會論文集.201