Al / Cu的磁脉冲焊接和界面表征的研究外文翻译资料

英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

Al / Cu的磁脉冲焊接和界面表征的研究

摘要：本文研究了磁脉冲焊接（MPW）条件（焊接功率，表面划痕和污染）对铝和铜管之间焊接建立的影响及其相关焊接机理。 结果表明，切向方向上的较高施加力和表面划痕有利于焊接，表面上的油污不不利于焊接。 在高焊接功率下，在局部界面熔化条件下获得直接证据。 通过能量色散谱（EDS）化学分析和显微划分试验鉴定了不同原子比的Cu/Al金属间化合物。 讨论了MPW的机理和过程改进。

关键词：磁脉冲焊接，电磁焊接，铝铜焊接，表面污染，微观结构表征

介绍：

从电磁线圈产生的高功率磁脉冲（MP）可用于材料加工，如MP切割，成型和焊接。磁脉冲焊接（MPW）也称为电磁焊接，在配合接口上施加高压脉冲力，实现了工具（这里是电磁线圈）与工件之间的物理接触的强力接合，从而具有各种优点。一般认为，MPW允许焊接异种材料，包括热力学性能不匹配的材料，否则是熔焊所需的材料。防止使用消耗性电极，消除热影响区域，提高焊接质量和加工重复性。此外，它也被认为是一种环保材料工艺，因为在许多其他焊接工艺中经常看到不需要后清洗或精加工。近年来，对于汽车制造中的能量消耗和环境保护，对轻质结构的不同材料的焊接以及焊接由辅助和铝制成的电力部件（例如，电力电缆，连接器和端子）由于非常高的电和热导率而难以被熔焊焊接在电动车辆中。由于这些原因，这种焊接技术已经被认为是加入相同材料或不同材料的通孔方法，吸引了新的理论和实践兴趣[1]。

前苏联开发了电磁力发生技术及其在金属成形和焊接中的初步工作，参见了Belyy等人的综合手册 [2]。有一些早期的焊接系统开发工作，包括MPG在Strizhakov [3]预热真空中的研究，Yablochnikov [4]采用电弧加热的MPW，Yablochnikov [5,6]设备和电感器的设计焊接大直径薄壁管。近年来，轻质材料的MP成型和焊接研究受到越来越多的关注，大学集团在俄亥俄州立大学发表了一系列论文，其中Tamhane等人[7]研究了样品尺寸对环膨胀过程延展性的影响，Daehn et al [8,9]报道了电磁片成型的改进成型性，Thomas等[10]报道了铝管膨胀的成形极限试验和分析，芬顿和大恩[11]对电磁片成形进行了建模工作，Golowin等[12]开发了一种具有均匀压力的新型电磁执行器，Zhang等[13,14]使用电子后向散射衍射法（EBSD）研究了焊接Al-Cu界面附近的微观结构，并展示了在焊接界面附近产生严重变形和再结晶的细粒材料。

基于要接合的工件材料和焊接工艺条件，Shrib-man等人研究了Al与Al之间的MPW [15]并报道焊缝的强度达到母材金属（A7075-T6）的强度。 Kore等人报道了工艺参数对焊接铝板的影响[16]并表明，对于给定的放电能量，焊缝的剪切强度在最佳线圈距离处达到最大值，线圈的几何形状也对产品强度有重要影响。在焊接Al与Cu时，Marya等人[17]和Marya和Marya [18]研究了铝 - 铜界面的微观结构和温度，结果表明形成了具有与平衡c-Cu2Al相同组成的硬铜富金属相。这些与观察到的界面空隙一起被用作Al熔化的证据，并且使用简单的分析模型来估计提供对界面熔融的进一步支持的界面温度。 Aizawa等人报道了铝到钢的焊接[19]研究了几种铝合金（A1050，A2017，A3004，A5182，A5052，A6016和A7075）的焊接参数，以与钢焊接。为了将Al焊接到Mg，Ben-Artzy等人[20]报道了具有不同组成的金属间相的形成，并且表明在界面处的薄熔融层内发生快速凝固，并且提供能量平衡分析以指示存在足够的能量来熔化薄界面层。对于Ti至Al的MPW，Marya和Gerard [21]在本概述文中简要讨论了Ti焊接。在MPW过程建模方面做了许多努力，见El-Azab等人的综述文章。 [22]。虽然MP力更容易应用于允许感应电流从线圈产生排斥磁场和力的导电金属上，MP力也可用于固结粉末并间接连接非金属，非导电材料通过导电投射，如粉末固结[23,24]。另一种与MPW相似的材料接合技术是爆炸焊接，该领域的研究成果也有助于理解MPW工艺，但在此不再赘述。在上述研究中，尽管广泛研究了MPW的加工条件，但焊接过程中的表面拓扑特征和污染尚未得到解决，也将影响焊接强度。

在高速率影响下了解材料加工的机理方面已经作出了重大努力，但是由于过程的高度非平衡条件，材料过程和行为中的先前存在的理论，热力学和动力学在均衡下或准平衡条件可能无法完全解释目前的复杂现象，而且常常存在对观察解释的争议。虽然MPW已经被大多数论文视为固态焊接工艺，主要是基于没有热影响区域的观察，几个相对较近的论文使用更先进的技术来分析界面微结构和化学，提出了界面融化的可能性，见前述作品[17,18,20]。此外，Stern和Aizenshtein [25]报道了在接合界面附近熔融和凝固的可能性，这是基于观察到沿着键合界面形成不连续的口袋串或连续过渡层，这被解释为来自局部熔融的晶粒细化，随后快速固化，或由于金属间相的形成（对于不同的材料）。另一方面，张等人的作品[13]关于铝MPW的EBSD研究显示，具有高晶界角的重型变形晶粒的再结晶/精制微观结构不同，意味着微观结构演化仍处于固态相，熔点未达到。熔融/快速凝固和固态变形/再结晶均可产生位错密度低，晶界高的细晶粒微观结构;尽管两个在不同的温度范围内是完全不同的过程。然而，如果观察到晶粒形状大，位错密度高，则该工艺必须处于固态状态，既不会发生再结晶也不会发生熔融，否则变形微观结构将消失。通常认为[26]在某些临界程度的冷作后加热至1 / 3-2 / 3绝对熔融温度Tm，再结晶发生，纯金属的再结晶温度通常为0.4Tm 。在非常短的时间内，在非常高的能量输入速率和应变速率下，变形的系统可以在不重结晶的情况下保持其变形状态，或者需要更高的过热温度来熔化发生。因此，进一步研究焊接条件和涉及的三个有争议的焊接工艺是有意义的:（1）熔化后进行凝固/结晶变形，（2）然后重结晶（不熔化）（3）没有足够的热量加热再结晶或甚至恢复的时间，使得来自电磁变形的储存能量不会被释放，特别是当时间非常短时。 MPW中另一个令人感兴趣的问题是波形界面的形成，已经被广泛观察到，并且通常被认为是类似于在流体动力学中观察到的剪切不稳定性的结果，参见Nassiri等 [27]和Ben-Artzy等人[28]，但是没有报道起始表面形态对界面波度和结合强度的影响。

在本文中，进一步研究了Cu / Al管的MPW，重点关注初始表面条件（表面拓扑和污染）对联合建立的影响，这是以前没有报道的问题。 焊接界面进行了特征化，鉴定和分析了新相形成，更重要的是获得了界面熔融的一些直接证据。 讨论了PMW的机理和改进手段。

实验条件：

电磁焊接设置，样品和焊接条件。 用于本研究的MP发生器由Hirotec America（型号Pulsar MP-30I9研究版）制成。 它由电容器组和用于对电容器充电的高压柜组成，能够在9kV的充电电压下产生30kJ。 MP线圈系统如图1和2所示。 1（a）-1（d），其由与MP发电机相关的5匝线圈和用于加强施加到铝管壁上的磁力的磁场集中器组成。

铝合金AA6063-O和纯铜C110（此后简称为Al和Cu）的接收管通过在接头长度上的内外表面上的车床加工。 虽然Al管在1.5mm壁厚的长度上具有均匀的横截面（参见图1（e）），但是Cu管在其端部区域具有不同的壁厚，遵循Shang [29]早期设计用于支撑挤压 力和轴向对准，导致三个Al-Cu焊接区，见图。 1（f）。 在焊接和焊接之前，Al和Cu管均从焊接区域的外部牢固地夹紧，但是在焊接区域内，两个管端部在径向和轴向上都没有约束。

图1 电磁系统（a）及其组装原理图（b），由电子线圈（c），由铜（d）制成的场集中器，管状工件Al（e）和具有特殊端部几何的Cu （f）

准备三个初始铜管表面条件以调查其对焊接的影响：

1. 表面状态 - A：加工后的管表面，由车削车削产生，精加工表面在其长度上含有切向划痕。 见图 图2（a）和2（b）。
2. 表面条件-B：车床转动（A条）后，在Cu外表面上沿着轴向方向进行了200根粗砂纸的手工打磨，取代了原来的切向车刀划痕（图2（b） ））在Cu外表面上具有新的轴向划痕集（图2（c）），以便研究表面拓扑效应。
3. 表面状态C：在泡沫转动（条件-A）之后，在焊接区域表面上涂覆硅基高粘度润滑油，以在焊接之前产生人为污染的界面（夸大），以便调查 如果高冲击力可以破坏粘结层以建立焊接。

使用4.3kV，5.2kV和6.0kV的三个施加电压来对电池组充电，这与放电到线圈的能量和功率成比例，并且当其他设置相同时间间接地与焊接MP力相关。 在焊接过程中测量线圈电流和输出能量。 由于线圈 - 工件联轴器中的磁场损失以及线圈回路中的焦耳热，可以大大减少输送到工件上的实际能量。 工件接收的能量主要以塑性变形，工件内的感应电流和Cu / Al界面的摩擦作用的形式消散，所有这些都有助于工件的加热。

图2焊接前的加工Al和Cu管样品（a）和在环向（b）上Cu管上产生的表面划痕。 进一步的磨砂表面如（c）所示。

焊接质量评估。 焊接质量通过剥离试验和界面微观结构检验评估。 对于剥离试验，在Al管壁上沿轴向方向进行两个平行的5mm间距切割。 使用钳子将铝切割条从其切碎端夹紧，并且沿着焊接的带顶部手动地扭转/卷绕。 如果剥离的表面显示断裂主要发生在一种贱金属内，或者如果观察到的分离主要发生在原始的Cu-Al接触表面，则焊接质量被定性地分类为“焊接”，相关联的 剥离剥离带的阻力有限。

应变分布和塑性工作测量。 横截面图像也用于尺寸和应变测量。 将二进制图像输入到用户开发的MATLAB程序中，并且识别并获得Al和Cu边界的轴向和径向坐标（x，y）。 从每个x坐标（像素）处的Al和Cu的外径d和厚度t，在管轴向位置x上的平均应变分量，以及von Mises在管轴向位置x上的有效应变基于 以下配方：

您可能感兴趣的文章

• 300M钢的大型构件在热锻过程中奥氏体晶粒长大行为3D数值模拟和实验分析外文翻译资料
• 变薄拉深精整和压缩精整作为近净成形锻后处理工艺的比较外文翻译资料
• 对塑料注射成型工艺参数优化的一般框架外文翻译资料
• 原位合成TiB-TiN增强Ti6AI4V合金复合涂层:微结构，摩擦学和体外生物相容性外文翻译资料
• 轴承钢中的碳化物溶解外文翻译资料
• 合金钢大型环件锻轧制过程的三维宏-微观耦合有限元建模与仿真外文翻译资料
• 环件冷轧对100Cr6钢组织和织构演变的影响外文翻译资料
• 电子互连中Cu6Sn5层上锡的成核外文翻译资料
• 碳纳米管束的拉伸和压缩性能外文翻译资料
• 利用高粘度铜膏和螺旋挤压机制备3D打印 金属结构外文翻译资料