铝/钢连续驱动摩擦焊接头多场耦合界面行为研究

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采用连续驱动摩擦焊(Continuous drive friction welding,CDFW)获得的铝/钢摩擦焊接头,能够实现复合构件的有效连接,但存在界面组织沿半径方向不均匀性的问题。焊接界面在热-电耦合、热循环、热-电-力耦合下微观组织容易出现物相偏聚、粗化长大以及界面金属间化合物(Intermetallic compounds,IMCs)厚度增加等现象,甚至出现由热失配引起的空洞和裂纹等缺陷。电解铝中CDFW焊接的新型阳极导杆采用铝导杆和钢爪进行直接连接,在实际的应用中需要承受来自温度、电流和交变载荷的工况条件,连接位置经常出现失效。所以,探究界面不均匀铝/钢CDFW摩擦焊接头在多场耦合下的界面演变行为,为解决实际应用中的关键问题提供相应的指导。研究了热-电耦合下纯铝1060/Q235低碳钢的CDFW摩擦焊接头复合界面的演变行为,开展了温度为300℃、400℃、500℃和电流密度为152 A/cm~2下不同时间的热-电耦合实验,并进行相对应的等温时效实验,将实验结果进行对比,分析了电流和温度对界面厚度和形貌的影响。结果表明:由于不均匀界面组织的存在,在热-电耦合作用下界面中心位置铝(Al)侧局部出现了柯肯达尔空洞,并随着温度的增加出现空洞所需要的时间缩短,失效面积增大。对两实验界面IMCs厚度进行统计发现,电流提高了原子缺陷迁移率增强了铁(Fe)和Al原子的扩散,促进了1/2R和2/3R处的界面IMCs厚度的增加,但最高只有0.43μm,作用效果较为微弱。在热电耦合作用下界面中心容易出现柯肯达尔空洞,1/2R和2/3R处界面厚度变化较弱。研究了热循环下铝/钢CDFW摩擦焊接头复合界面的演变行为,分别进行了垂直方向作用力F为400 N、600 N和800 N,温度为60℃~500℃的热循环实验。并利用Lab VIEW信号采集系统对实验过程中的动态电阻和垂直位移变化量进行采集。对热循环试样进行了断口分析和界面组织分析。结果表明:在热循环下复合界面Al侧出现了明显的颈缩现象,随着作用力F的增加颈缩量也随之增加。对不同作用力F的热循环实验的动态电阻曲线分析发现,动态电阻曲线随着温度的变化而变化,且高温阶段的电阻变化值高于低温阶段。从F=400 N高温电阻变化值为31.8 mΩ到F=600 N的39.9 mΩ再到F=800 N的77.1 mΩ,低温电阻变化值分别为3.2 mΩ、19.2 mΩ和6.9 mΩ。低温阶段电阻值变化主要受到界面连接面积的影响。F为400 N和800 N的动态电阻曲线形态较为单一为“凸起状”,但F=600 N时出现了四种形态变化,反应了高温阶段复合界面空隙从萌生、扩展到稳定的变化规律,且延伸率变化与之相对应。F为600 N和800 N的断裂形式主要为复合断裂,界面中心为解理断裂为主和局部韧性断裂,微观组织在Al侧出现了黑色的氧化现象并伴有裂纹,表明了界面中心在热循环下容易与O原子结合形成薄弱区;界面中心至“圆环”内侧主要为Al金属解理断裂与韧性断裂相互混合形式,界面处有不连续的IMCs的生成,表明了次区域在热循环作用下仍有较好的连接强度;2/3R“圆环”处为解理断裂形式,但在微观界面IMCs的两侧没有发现裂纹,说明了硬脆的IMCs在热循环下容易发生解理断裂。在热循环影响下复合界面中心位置容易出现薄弱区,“圆环”出现扩展并呈现出解理断裂的特性。研究了热-电-力多场耦合作用下铝/钢CDFW摩擦焊接头的界面行为。进行了720 h的热-电-力耦合实验(作用力F为600 N+温度60℃~500℃+电流密度24.5 A/cm~2),并与热循环实验(作用力F为600 N+温度60℃~500℃)相对比。结果表明:界面IMCs沿着半径方向呈现不均匀分布,界面中心的Al侧出现了金属氧化的现象并伴有裂纹,与热循环实验结果相比发现:产生的最大裂纹宽度由0.3μm到1.5μm;界面IMCs厚度相对于热循环实验的1.18μm增加了49.1%;断口形貌同样出现了“圆环”解理断裂区,但面积相比热循环107.5 mm~2出现了24.5%的缩小。在热-电-力耦合下,铝/钢摩擦焊接头的薄弱区主要由热循环导致的界面失配,外加电流则促进了原子之间的相互扩散,增强了界面的连接,降低了热循环带来的影响。
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