论文总字数：19065字

摘 要

铝铜爆炸复合板作为一种常见的复合材料，现已广泛应用于汽车、船舶等领域。传统的铝铜复合板是由爆炸焊复合而成，其界面处存在较多的钢屑、孔洞、裂纹等宏观缺陷，对复合板的力学性能有着不利的影响。搅拌摩擦加工作为一种新型的固相连接技术，被广泛应用于复合板制备与修复之中。本课题基于搅拌摩擦加工修复技术，研究搭边量对爆炸焊铝铜复合板界面选区修复情况，利用MTS万能实验机和显微硬度计对其拉伸、弯曲和显微硬度进行评定。

本课题主要试验结果如下：搅拌摩擦加工对爆炸复合形成的铝铜复合板界面具有一定的修复作用，焊缝处的抗拉间性能明显高于母材处接合面的抗拉间性能。针对不同搭边量的焊缝处，随着搭边量的上升，材料的抗拉剪性能有些许下降：经过搅拌摩擦焊修复，材料具有优异的韧塑性，可是修复区铝和铜的硬度较未经过修复的铝铜复合板硬度均有明显的下降。

关键词：搅拌摩擦加工；铝铜复合板；结合界面；搭边量；力学性能

Study on The Control of The Interface Structure in The Friction Stir Process of Aluminum Copper Explosive Composite Plate

Abstract

As a kind of common composite material, aluminum copper explosive composite plate has been widely used in automobile, ship and other fields. The traditional aluminum copper composite plate is made by explosive welding. There are many macroscopical defects such as steel chips, holes and cracks at its interface, which have a negative impact on the mechanical properties of the composite plate. As a new solid phase joining technology, friction stir machining is widely used in the preparation and repair of composite plates. Based on the technology of friction stir machining, this paper studies the selective repair of the interface of explosive welding aluminum copper composite plate by the amount of overlap, and evaluates its tensile, bending and microhardness with MTS universal testing machine and microhardness tester.

The main test results are as follows: friction stir machining has a certain repair effect on the interface of aluminum copper composite plate formed by explosive bonding, and the tensile property of the weld joint is significantly higher than that of the base metal joint. For the weld joints with different lap amount, with the rise of lap amount, the tensile and shear properties of the material decreased slightly: after friction stir welding repair, the material has excellent toughness and plasticity, but the hardness of aluminum and copper in the repair area is significantly lower than that of the unrepaired aluminum copper composite plate.

Key word:friction stir processing; aluminum-copper composite plate; bonding interface; lapped margin; mechanical properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1课题研究的背景与意义 1

1.2铝铜复合板的加工工艺及研究现状 1

1.2.1铝铜复合板的背景 1

1.2.2爆炸焊加工工艺 2

1.3搅拌摩擦焊接工艺及研究现状 2

1.4铝铜异种金属搅拌摩擦焊研究现状 3

1.5研究目的、内容及技术路线图 6

1.5.1研究目的 6

1.5.2研究内容 7

1.5.3本课题研究路线图 7

第二章 实验材料、设备与方法 8

2.1实验材料 8

2.2实验设备与装置 8

2.3力学性能测试 9

2.3.1弯曲实验 9

2.3.2显微硬度测试 9

第三章 拉剪试样尺寸设计 11

3.1传统母材拉剪试样尺寸设计和试验结果 12

3.1.1 拉剪试样设计 12

3.1.2 拉剪实验结论 13

3.2改变搭接面积设计母材拉剪试样尺寸和试验结果 13

3.2.1拉剪试样尺寸改进 13

3.2.2拉剪实验结论 14

3.3不等尺寸母材拉剪试样设计和结论 15

3.3.1 试样结构和尺寸设计 15

3.3.2 拉剪实验结论 16

3.4 焊缝拉剪试样尺寸设计 17

第四章 不同搭边量下铝铜复合板力学性能 19

4.1拉剪实验分析 19

4.1.1拉剪试验数据分析 19

4.1.2拉剪断口形貌 20

4.2弯曲性能分析 22

4.3显微硬度分析 23

第五章 经济性分析 25

第六章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

随着现在工业技术的不断崛起，高性能的材料的需求量越来越高，简单性能的材料已经很难满足人们在工业生产中的要求。因此，研究发现和制备各种各样的新型复合材料已经成为材料科学与工程这个领域中一个具有重大意义的研究方向^[1]。其中复合材料的发展具有十分重要的意义。双金属复合板可以获得多种金属所不具有的化学性能和物理性能。并且现代机器制造业中最紧迫的问题是不仅要提高设备和结构可靠性和工作性能，也要减小金属材料得消耗量，同时使得成本降到最低^[2]。本课题研究的是铝铜爆炸复合板经过搅拌摩擦焊接后板件性能的变化并对此提出性能调控的意见和方法。因为铜和铜的合金不仅有优良的导热和导电性能，而且有良好的加工成形性能和耐腐蚀性，部分铜合金还有较高的强度，因此在电子、电器、食品、动力、化工及交通工业部门有广泛的应用，可是铜是稀缺金属，屈于战略资源，我国每年需要从海外购进大量铜材^[3][4]。铝合金具有耐腐蚀、密度低、强度高、电导率和热导率高以及加工成形性能好等优良的品质并且发展迅速，在国民经济各领域及国防建设中得到了广泛的应用，用量仅次于铁材料，成为第二大金属材料，某些场合中为了减轻结构件的重量，可以用铝合金代替铜作为结构件。但是铜合金的电阻率比铝的电阻率小60％，有些场合无法用铝合金完全代替铜。为了铜合金和铝合金的各自优异性能可以背充分的利用，很多应用场合通常用铝铜的复合接头，在满足结构件的强度要求的同时，还能减轻构件的重量、节约材料、降低生产成本。因此铝铜复合接头制备的研究发现和应用貝有深远的意义和广泛的前景^[5][6]。

1.2铝铜复合板的加工工艺及研究现状

1.2.1铝铜复合板的背景

在地球上，铜的导电性和导热性非常好，仅仅次于银，因此铜被大量的应用于机械、电力等领域。2008年我国生产了3779.3千吨的铜，但是这些铜完全不够人们的生产工作，那年消耗5133.6吨的铜^[7]，供不应求导致了铜的价值越来越高。而且地壳中铜的含量非常稀少，人们的需求量又巨大，导致了铜越发昂贵，因此人们想方设法寻找一种可以替代铜的材料。地壳中的含量高达8%的铝引起了人们的兴趣，铝的价格相比较铜更加低廉，导电、导热性都很好，如果直接用铝取而代之铜可能导致性能不符合某些要求^[8]。铝铜复合板包含了铜的优点导电、导热性能好，又有铝的优点质量轻、售价低廉，同时满足了人们对性能以及价格的要求。

1.2.2爆炸焊加工工艺

爆炸焊是指利用炸药爆炸产生的冲击力造成工件迅速碰撞而实现焊接的方法。爆炸焊是以炸药为能源，进行金属间的焊接方法。这种焊接是利用炸药爆炸时的冲击波，使金属受到高速撞击，在十分短暂的冶金过程中相结合。在实际生活中，角度法和平行法是人们应用在工业生产中比较多的两种爆炸焊接方式^[9]。如图1.1所示是爆炸复合动态示意图，它的原理是通过爆炸产生强烈的摩擦和冲击^[10]，使得金属表面的氧化膜被粉碎，使得暴露在外面的是金属的表面，爆炸过程中会生成的高压脉冲载荷，使得两种金属以极高速度的冲撞，紧密地焊接在一起^[11]。爆炸焊的工艺简单，不需要复杂的设备，金属件化合物的生成不会出现在爆炸焊过程中^[12]，结合强度良好；所有的金属基本上都可以使用爆炸焊，因此适用范围广阔。但是爆炸焊也有缺点，它不仅危险而且机械化程度低，污染空气操作时应小心谨慎[13]。此外，不仅仅焊接难度高，爆炸焊后的晶粒比较粗大，裂纹容易产生，比如热裂纹、渗透裂纹，除此以外还会产生气孔等严重缺陷^[14]。

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