銅-鋁異種金屬激光焊熔池流體動力學(xué)模擬與焊縫組織特征研究.pdf

1、銅、鋁在電子及電力電氣等方面應(yīng)用廣泛,以鋁代替銅不僅可以節(jié)省成本、減輕重量,而且可以優(yōu)化制造工藝。銅和鋁的連接是實現(xiàn)這一目標的重要途徑。然而,銅和鋁在熱物理性能方面存在較大差異,銅-鋁熔化混合時易形成脆硬的金屬間化合物。激光焊接冷卻速度快,熱影響區(qū)小,適合于異種金屬的連接。盡管如此,銅-鋁異種金屬搭接激光焊熔池溫度分布、流體流動、成分分布、熔池形貌及形成機理,不同焊接條件下的微觀組織特征及其對接頭剪切性能的影響尚待深入研究。
　　

2、本文采用計算流體動力學(xué)(CFD,Computational Fluid Dynamics)方法研究了熔池特征,模擬了銅-鋁搭接激光焊熔池溫度場、流體流動、成分分布、熔池形貌和銅-鋁過渡層形成機理。熔化和凝固采用Enthalpy-Porosity模型,而不是采用顯式跟蹤固液界面前沿的方法,節(jié)省了計算時間。通過模擬兩種搭接結(jié)構(gòu)(銅上鋁下和鋁上銅下)的溫度場、熔池流動場和熔池形貌來研究這兩種搭接結(jié)構(gòu)的熔池形貌、流體流動等熔池特征,分析其可焊性

3、,并與試驗結(jié)果對比。
　　采用SEM&EDS研究焊縫微觀組織特征及成分分布,以及激光功率和焊接速度對焊縫微觀組織、晶粒尺寸的影響。拉伸剪切斷口SEM&EDS分析銅-鋁搭接接頭的斷裂部位和斷裂形式,研究微觀組織對焊接接頭剪切性能的影響。
　　研究結(jié)果表明:銅上鋁下搭接焊時,銅和鋁熔合區(qū)液態(tài)金屬在流體流動和熱傳導(dǎo)的作用下,形成“山丘”狀銅-鋁過渡層和“碗”狀熔合區(qū),銅和鋁上表面熔合區(qū)寬度分別大于它們的下表面熔合區(qū)寬度;鋁上銅下搭

4、接激光熱導(dǎo)焊時,鋁板熔池較寬,銅板僅上表面發(fā)生少部分熔化,且在銅-鋁界面處熔池液態(tài)金屬流速幾乎為零,銅-鋁難以混合形成焊縫。
　　銅-鋁過渡層凝固溫度區(qū)間的平均冷卻速度隨激光功率的增加而降低,隨焊接速度的增加而升高。熔池液態(tài)金屬的流速和過渡層的寬度隨激光功率的增加而增大,隨焊接速度的增加而減小。
　　銅上鋁下搭接激光焊時,焊縫區(qū)由銅側(cè)熔化區(qū),鋁側(cè)熔化區(qū)和銅-鋁過渡層組成。銅側(cè)和鋁側(cè)熔化區(qū)無明顯的組織形貌特征,而銅-鋁過渡層由

5、組織形態(tài)和成分不同的區(qū)域組成,其中銅-鋁過渡層是接頭力學(xué)性能的薄弱區(qū)。
　　銅-鋁激光焊過程加熱和冷卻速度快,熔池形成了較高的溫度梯度和成份梯度,導(dǎo)致銅-鋁過渡層形成了組織形貌和成分不同的區(qū)域。銅-鋁過渡層由平行排列的板條狀過共晶組織區(qū)、過共晶組織與共晶組織混合區(qū)(簡稱混合區(qū))、片層狀的共晶區(qū)以及枝晶狀的亞共晶區(qū)組成。焊接速度100mm/s恒定,激光功率由1450W增加至1850W時,接頭剪切斷裂在枝晶狀亞共晶區(qū),接頭最大剪切力隨