材料成型及控制工程专业铝钢异种焊接工艺研究毕业论文资料.docx

1、材料成型及控制工程专业铝钢异种焊接工艺研究毕业论文资料 毕业设计开题报告书题目： 铝钢异种焊接工艺研究 专 业： 材料成型及控制工程 班 级： 学 号： 姓 名： 指导教师： 2013年2月27日开题报告书（第1页）研究的目的、意义及国内外发展概况1.1.目的及意义：异种钢焊接的研究意义及目的在于采用异种钢制造的焊接结构，不仅能满足不同工作条件对材质提出的不同要求，而且可节约大量的贵重材料，降低成本，发挥不同材料的性能优势。异种钢焊接结构在机械、化工、电力及核工业登行业得到广泛应用，异种钢的焊接焊接也越来越受到重视。 1.2.国内外发展概况：铝及铝合金因质量轻、塑性好、耐腐蚀性强等特点被广泛应

2、用于各种加工制造领域，是目前应用最广的一种轻金属；而钢是一种最普通、最常用的黑色金属，在制造业中的主导地位至今无法撼动。随着越来越多的铝及铝合金结构在制造业中的应用，铝与钢的连接成了人们关心的问题。目前，实现铝与钢的连接的连接方法有：粘结、机械连接（铆接、螺栓来接等）和焊接。粘结得到的连接接头的机械强度有限，只能在一些对接头强度有限，只能在一些对接头强度要求很低的场合应用。尽管机械连接能够得到强度较高的连接接头,但是连接接头的气密性无法保证,而且连接后一般会留下明显的连接痕迹,这对一些表面要求非常高的工件(如汽车覆盖件)很难满足要求。焊接作为一种最常用的连接手段,在异种金属的连接中得到了较为广

3、泛的应用。论文提纲或设计总体方案前 言1.铝钢异种焊接的介绍2.铝钢异种焊接的焊接性及应用3.铝钢异种焊接的焊接方法4.铝钢异种焊接的焊接工艺要点5.铝钢异种焊接的影响因素和焊接组织结 论致 谢参考文献 开题报告书（第2页）论文的应用价值或设计项目的市场预测 异种焊接在现代的工业生产中，已成为一种重要的金属加工工艺方法，广泛地应用于造船、航空、航天、汽车工业及机械制造等许多现代工业部门, 随着科学技术的发展，异种金属的焊接技术发展越来越快，并且质量要求也越来越高。为适应焊接技术发展的需要，研究异种金属的焊接工艺技术已成为焊接领域的一种发展趋势。进度计划第一周 搜集、阅读参考资料第二周 提交开题

4、报告第三、四周 进行资料的学习研究第五、六、七、八周 准备设计所需的具体资料第九、十、十一周 编写设计论文、准备答辩第十二周 答辩 主要参考文献1 刘中青,刘凯. 异种金属焊接技术指南M . 北京:机械工业出版社, 1986.2 森井泰. 异种金属摩擦压力焊性质研究 J.轻金属溶接,1997,15(10):17-23.3 J，Tienhoven，BPathiraj，JMeijerIMlser joining of steelaluminum joints in T corifigumtionJIJamaterials processing conference2006107：52584 Hit

5、oshi，Ozaki，Muneharu，KutsunaLaser roll welding of dissimilar metal joint of zinc coated steel and aluminum alloyJ1Alger materials proceasing confereoce2006，505：2983025 郑远谋. 爆炸焊与异种金属的焊接 J . 焊接技术,2001, 30 (5) : 2526.6 狄建华,吕春玲,宋新社. LY12铝合金与A3钢爆炸焊接条件的确定 J . 华北工学 院学报, 2001, 22 (1) : 6669学生提交报告日期： 2013年 3

6、月 5 日指导教师签字： 2013年 月 日说明 学生在接到设计任务书后的一周内，应在调研的基础上，填写该开题报告书并经指导教师审查通过后，方可进行下一阶段的工作。本科生毕业设计(论文)中期检查表论文（设计）题目：铝钢异种焊接工艺研究系部机械工程学院专业材料成型及控制工程年级姓名学号指导教师职称学历进度计划第一周 搜集、阅读参考资料第二周 提交开题报告第三、四周 进行资料的学习研究第五、六、七、八周 准备设计所需的具体资料第九、十、十一周 编写设计论文、准备答辩第十二周 答辩已完成内容 已搜集整理和详细阅读了大量相关的参考资料，完成了开题报告书的撰写工作，学习并熟练掌握了铝钢异种焊接的意义及焊

7、接方法，明确了此次毕业设计的思路和研究方向，并已初步构建了毕业论文的大体轮廓且已撰写完成一部分的内容。尚须完成内容搜集有关的英文资料并做好翻译，再做好整理，最后做好全面的检查，准备答辩。存在的问题和拟采取的法网上搜集的资料比较混乱，需要自己从图书馆里大量借阅书籍文献来整理、归类。指导教师意见签名：2013年4月21日 摘 要 本论文对异种金属的研究现状,近年来铝钢焊接的各种常见的焊接方法(压焊，搅拌摩擦焊接，钎焊，熔焊)进行综述，认为铝钢的异种材料焊接关键在于对金属间脆性化舍物层进行控制。详细介绍了压焊，钎焊在控制化合物层厚度上的优势。指出各种焊接方式在实际生产中的不足，并对铝钢焊接研究方向进

8、行展望。分析了铝与钢的焊接性,综述了国内外铝与钢异种金属焊接的研究与发展状况,重点介绍了目前应用于铝与钢连接的焊接方法,并对各种焊接方法的优缺点作了分析比较。关键字： 异种金属，铝钢异种金属钎焊，搅拌摩擦焊Abstract This paper on the research status of dissimilar metals, in recent years, various common methods of welding of aluminum and steel welding (welding, Friction Stir Welding, brazing, and weldi

9、ng) review, that is the key to welding of aluminum-steel different materials to control the among of brittle metal shed. Detailed information on pressure welding and brazing in controlling the thickness of compound layer on the edge. Noted deficiencies in various welding methods in actual production

10、 and prospect in studies on aluminum and steel welding direction. Analysis of weldability of aluminum and steel, review of dissimilar metals welding of aluminum and steel in the world research and development, focuses on the current connection should be used in aluminum and steel welding method and

11、comparison analysis on the advantages and disadvantages of various welding methods.Key words: Dissimilar metals, Aluminum brazing dissimilar metals, Friction stir welding目 录 前言 .1 1 铝钢异种焊接的介绍.2 2 铝钢异种焊接的焊接性及应用 .32.1 铝钢异种焊接的焊接性.32.2 铝钢异种焊接的应用.3 2.2.1 电力、电子和电化学工业中的应用.42.2.2 工程结构中的应用.4 3 铝钢异种焊接的焊接方法.5

12、3.1 铝和钢的摩擦焊 .5 3.2 铝和钢的爆炸焊 .5 3.3 铝和钢的钎焊 .6 3.4 铝和钢的扩散焊 .6 3.5 铝和钢的电弧 .7 3.6 铝和钢的激光焊 .7 3.7 铝和钢的磁脉冲焊 .8 3.8 铝钢搅拌摩擦钎焊. .9 3.9 铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊.10 3.9.1 日本开发的传统搅拌摩擦点焊简介.10 3.9.2 日本开发的传统搅拌摩擦点焊存在的问题 .11 3.9.3 铝钢嵌入式搅拌摩擦点焊工艺的提出 .124 铝钢异种焊接的焊接工艺要点.134.1 焊接材料.134.2 焊前准备.134.2.1表面清理 .134.2.2垫板. 134.2.3预热.134.3焊接工

13、艺及参数 .144.3.1氧化皮问题 .144.3.2导热性问题.144.3.3热膨胀问题.144.3.4焊穿问题.144.3.5气孔问题.144.3.6烧损问题.154.3.7时效问题.154.3.8相变问题.155 铝钢异种焊接的影响因素和焊接组织 .16 5.1 热影响区组织 .16 5.2 焊缝区组织 .165.3 焊接材料的选择 .16结论.18致谢.19参考文献.20前 言由于近年来众多学者对铝/钢异种材料连接进行了详细的研究，焊接方法几乎涉及到焊接领域的各种方法，大体上分为压焊，搅拌摩擦焊，钎焊，熔焊。文中分别阐述了这几种方法的研究现状，比较了几种方法的优势与劣势，对今后的研究进

14、行展望。由于铝及铝合金的密度小、强度高、具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，因此，近年来采用铝钢双金属焊接结构的产品越来越多，并在航空、造船、石油化工、原子能和车辆制造工业中显示出独特的优势和良好的效益。近年来，环保问题越来越受到重视，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一, 所以在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。 目前，应用于铝和钢连接的焊接方法主要有：压焊（滚焊与爆炸焊、摩擦焊、搅拌摩擦焊）、钎焊、熔焊、扩散焊、电弧焊、焊和磁脉冲

15、焊等。 铝钢之间的焊接，一直是焊接领域的难点和热点问题，其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素。压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，比较适于铝钢之间的焊接，但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产。而熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物。虽然采用熔钎结合的方法已经获得了很好的效果，但是对于金属间化合物的生长动力学以及如何促进铝合金熔体润湿钢板表面等方面还没有系统研究，因此，解决上述问题对于促进高效的焊接方法在铝钢焊接中的应用具有重要的意义

16、。1铝钢异种焊接的介绍近年来，由于能源问题和车辆尾气排放问题的日益严重，汽车轻量化得到世界各国越来越多的重视。铝合金具有强度高，质量轻等特点，使用铝合金来代替钢部件可以有效地减少车身重量。此外，铝合金和钢的混合结构在航空、化工、国防等工业部门均有广泛的应用。但使用热力学方法很难将铝和钢连接在一起，这主要是由于铝和钢的焊接接头有金属间的脆性物质，从而降低了接头的力学性能。近年来，环保问题越来越受到重视，汽车工业为了节约燃料、保护环境、不断努力减轻汽车重量，因此对汽车用材料提出了更高的要求。增加铝材的使用量是其中的重要措施之一, 所以在汽车工业生产中，采用“钢+铝”双金属焊接结构成为汽车轻量化的首

17、选方案，这必然涉及到铝和钢两种材料之间的连接。铝钢之间的焊接，一直是焊接领域的难点和热点问题，其中脆性金属间化合物的生成是影响接头性能的主要因素。压力焊和钎焊由于基体可以在焊接过程中保持固态，同时焊接热输入容易控制，因此接头的性能一般不受限于金属间化合物的厚度，比较适于铝钢之间的焊接，但是这种焊接方法效率较低，对工件的尺寸和形状有特殊的要求，不适于大批量生产。而熔焊方法比较灵活，效率较高，但是金属间化合物又成为不可避免的附加产物。虽然采用熔钎结合的方法已经获得了很好的效果，但是对于金属间化合物的生长动力学以及如何促进铝合金熔体润湿钢板表面等方面还没有系统研究，因此，解决上述问题对于促进高效的焊

18、接方法在铝钢焊接中的应用具有重要的意义。随着异种材料连接结构的应用前景不断扩大，其连接技术也会越来越受到重视。连接方法的选择要根据不同的异种材料组合、不同的结构形状以及不同的应用环境来确定。钎焊技术是目前异种材料连接的最重要的方法，其他方法都存在各自的局限性。熔钎焊、电子束钎焊、激光钎焊、活性软钎焊和搅拌摩擦焊等都是近年发展起来的新方法，在异种材料的连接方面还处于研究阶段。在新技术不断发展的今天，适用于异种材料组合的连接技术越来越多，新技术的不断发展为异种材料的连接提供着新的技术保障。为解决铝与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题，西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺搅

19、拌摩擦钎焊(FSB)与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW），并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头，既避免了针的磨损，又获得了无匙孔的光滑外观；同时所得接头均断裂于铝母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于铝/钢焊接，还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备铝/钢双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。2 铝钢异种金属的焊接性及应用2.1铝钢异种焊接的焊接性 表2.1列出了铝和铁的一些主要的物理参数1。从表1对两种金属物理性能参数的比较来看,铝与钢的金属性能有很大的差异。性能的

20、差异是导致铝与钢焊接性较差的主要原因。 表2.1不同金属元素参数统计表Tab. 2.1 Parameters of different metals table特性AlCuFe熔点/66010831535沸点/251923102450比热容/J(kgK)899.2376.8481.5密度/gcm2.78.987.85线膨胀系数/K 2416.812热导率/W(mK)217.7395.866.7(1) 由于钢的熔点比铝的熔点高,在焊接过程中,当铝完全熔化为液态时,钢仍处于固态,而且两者的密度相差很大,当钢完全熔化后,液态铝浮在钢水上面,冷却结晶后焊缝成分不均匀,使得焊接接头的性能降低。目前,铝与

21、钢很难用熔化焊直接焊接。(2) 铝及其合金与钢焊接过程中,在铝母材表面焊接形成难熔的AlO (熔点高达2073 )氧化膜,这种氧化膜也可以存在于熔池表面,熔池温度越高,表面氧化膜越厚,氧化膜的存在阻碍液态金属的结合,容易使焊缝产生夹渣。(3) 铝及其合金与钢的热导率、线膨胀系数相差很大,焊后焊接接头变形严重,并且有很大的残余应力存在,易产生裂纹。此外,铁在铝中的固溶度几乎为零(在225-600 时,铁在铝中的固溶极限为0.01%-0.022%) ,且铁与铝可以产生多种硬而脆的金属间化合物,如FeAl,FeAl,FeAl,FeAl,FeAl及FeAl等,这些金属间化合物的存在,增加了焊接接头的脆

22、性,降低了其塑性和韧性。2.2异种金属的焊接应用 随着镁合金在汽车、电子、航空航天等高新技术领域的逐渐推广应用, 镁合金与其他金属的连接问题将是今后镁合金焊接的前沿课题。例如在汽车制造方面，将会遇到镁合金与钢、镁合金与铝合金的熔焊问题；在自行车制造中，还需要解决镁合金和铝合金管接头的钎焊问题等。由于镁合金密度低、熔点低、热导率和电导率大, 并且热膨胀系数大、易氧化，且氧化物的熔点很高，使镁合金和铝合金异种金属的焊接过程中会产生一系列的困难，因此，解决镁/铝异种金属的焊接难题已经成为国内外众多研究者关注的焦点。进入21世纪以来，随着各种金属材料在航空航天、民用领域的拓展，钢铁材料已经逐步被非铁金

23、属所取代, 而其中非铁金属与钢铁以及异种非铁金属的焊接将成为今后金属材料焊接领域的前沿。并且随着新的异种金属连接方法的不断出现和改进以及金属的加工技术的提高，镁/铝异种金属接头在工业中的应用将会达到2.9%，因此采用不同的焊接工艺对镁/铝异种金属进行焊接，以及深入地研究镁/铝异种非铁金属焊接工艺以及接头的组织结构性能的研究，将会对镁/铝异种金属接头的推广使用具有十分重要的现实意义。爆炸焊的异种金属用来制作连接异种金属过渡接头。过渡接头通常用于两个方面： 2.2.1电力、电子和电化学工业中的应用如铜-铝、铜-钛、铜-钢、铜-不锈钢、铝-钢、铝-钛-钢、铝-钛-不锈钢和银-铜等的过渡接头，以连接相

24、应的异种导电材料。例如，连接输电线路的铜-铝接头，电解铜、镍和锌工业中的铜-钛过渡接头等。2.2.2工程结构中的应用例如锆合金-不锈钢、因科镍和钼-不锈钢的管接头的两端，在与相应的管材连接之后用于工程中。钛-不锈钢管接头在阿波罗宇宙飞船上，一头连接钛制作的登月仓和燃料箱，另一头连接不锈钢制作的燃料管道。电冰箱用的铜-铝过渡管接头。造船工业中连接铝质上层建筑和船体钢质甲板的铝-钢板接头。连接低温真空设备的铝-钢管接头。另外，用同种或异种材料的管接头现场爆炸焊，连接了5000km长的通讯电缆、数千千米长的石油管道（接头达数十万个）和1090km的天然气管道等。 大量异种金属材料的爆炸焊有许多卓有成

25、效的应用。因此，爆炸焊作为一种焊接新工艺和新技术，在焊接异种金属材料方面有得天独厚和无可替代的优势。爆炸焊是异种金属焊接的最佳工艺和焊接技术的一大发展，而具有重要的技术和经济价值。在我国这种焊接技术应引起更多的重视和获得更大的发展。3 铝钢异种金属的焊接方法 目前,应用于铝和钢连接的焊接方法主要有:摩擦焊、爆炸焊、钎焊、扩散焊、搅拌摩擦焊、电弧焊、压焊、激光焊；熔焊和磁脉冲焊等。3.1铝和钢的摩擦焊摩擦焊是以机械能为能源的一种固相连接方法,它是利用两表面间机械摩擦所产生的热来实现金属连接的2。摩擦焊对铝和钢焊接而言是一种行之有效的焊接方法。一方面,焊接过程中,高速旋转产生的作用力破坏了铝表面的氧化膜,从而降低或消除了氧化膜的有害作用;另一方面,由于摩擦焊是在金属不发生熔化的条件下实现的,因此焊接过程可以抑制铝/铁金属间化合物的生成。1977年,日本森井泰对铝与钢的焊接接头进行了研究。1981年, Elliott等人对前人的研究作了总结,认为金属间化合物是影响