ZCuSn10Pb10合金与Q235钢半固态焊接及机理分析

作     者：张钰晖 

作者单位：合肥工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹延国;李其龙

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：铜/钢 半固态 SIMA 焊接 

摘      要：铜/钢双金属复合材料结合了铜与钢各自的特点,在航空航天、机械工程、电力系统等领域有着广泛应用。铜锡合金作为铜合金的一种,具有优异的抗腐蚀性和耐磨性。将含铅的铜锡合金与钢连接是提高钢表面抗磨性能、延长钢件使用寿命的极好选择。然而,由于铜与钢的线膨胀系数、热导率等物理性能差异较大,在传统的固态扩散焊接过程中常会出现焊缝、局部未焊合等缺陷,并导致结合界面质量下降等问题。此外,由于铜锡合金的堆垛能错较低,在高温扩散过程中,致密度较高的枝晶组织会发生二次再结晶现象,使得铜合金的枝晶组织转变为粒径较大的块状粗晶组织,从而导致了铜层的力学性能下降。本文以ZCuSn10Pb10合金与Q235钢为研究对象,采用半固态连接技术制备铜/钢双金属复合材料,并通过优化改进SIMA(Strain Induced Melt Activation)过程中的半固态焊接工艺,制备出铜层机械性能良好、界面结合强度较高的双金属复合材料。研究中,揭示了半固态焊接过程中铜/钢双金属复合材料的形成原理。采用SIMA法制备ZCuSn10Pb10合金半固态坯料,该过程包括挤压预变形与局部重熔两个阶段。研究了单向冷挤压处理前后铜合金组织的变化、重熔过程中重熔参数对半固态组织的影响、铜合金原始铸态与挤压态重熔后组织的演变及性能差异。结果表明,SIMA法冷挤压后铜合金枝晶臂发生破碎,组织内部储存了一定的变形能;在重熔温度900℃、保温30min时,形成的半固态组织较好,此时,液相率适中、圆整度较佳;无SIMA法作用的原材料重熔后组织发生二次再结晶现象,形成的粗晶组织摩擦磨损性能较差。在ZCuSn10Pb10合金与Q235钢焊接的过程中,进行了母材铜合金处于不同状态(铸态、挤压态、半固态)下的焊接实验,研究结果表明,当焊接表面粗糙度较差时(Ra≈0.6μm),三组焊接试样界面处都有孔洞存在,但挤压态试样的孔洞数量较少,结合强度较高。焊接表面粗糙度Ra0.03μm时,界面结合质量明显提升。焊接参数的影响研究结果表明,焊接温度900℃、焊接时间30min的焊接参数较好,此时,界面的结合强度平均可达当246.8MPa。对于半固态焊接的复合材料,预变形过程中储存的能量和重熔过程中形成的半固体浆料是促进原子扩散、形成良好界面的重要因素。