Al / Al和Al / Cu金属对的电磁脉冲焊接：焊接过程中异种组合对界面反应的影响外文翻译资料

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本科生毕业设计（论文）外文翻译

Al / Al和Al / Cu金属对的电磁脉冲焊接：焊接过程中异种组合对界面反应的影响

Magnetic pulse welding of Al/Al and Al/Cu metal pairs: Consequences of the dissimilar combination on the interfacial behavior during the welding process

R.N. Raoelisona,b,lowast;, T. Sapanathana, N. Buirona, M. Rachika

摘要

本文比较了Al/Al和Al/Cu金属对电磁磁脉冲焊接结果，强调了异种金属组合对焊接界面反应的影响，这与飞轮和目标部件之间的初始径向气隙变化有关。Al/Al对的焊接可在7.5kV的恒定输入电压下实现1mm至4mm间隙的良好粘合。Al/Al界面显示出金属连续性，该连续性可以是直的或波浪形的，并随着初始间隙的增加而逐渐被焊接零件剪切，从而使界面附近的晶粒从未变形的等轴转变为扁平且细长的形态。对于较大的初始气隙，由于强烈的界面剪切而导致断裂和空隙的形成，从而使焊接接头变差，这也导致碎片的弹出。在Al/Cu组合的焊接中，界面的性质会发生变化。在Al/Cu界面上，由第三种化合物构成的层或袋状中间相的形成变得很明显，这可能会引发接头的各种有害现象。取决于中间相的厚度，界面会对一些缺陷敏感，例如径向微裂纹、破裂、开孔时大裂纹的轴向传播、由于界面喷射或由于熔融造成的界面分离所导致的断裂等缺陷都会降低接头的质量，即使在中间层只有几微米的情况下，也能在初始气隙比较小时（g=1mm）在界面处引发裂纹。而初始气隙超过3mm时，接口将完全损坏。

1.简介

多材料装配的发展变得非常重要，因为它们带来了替代方案来应对新的挑战和创新。为了减轻重量，增强结构强度，减少污染排放和优化符合人体工程学的材料设计，出现了新的复杂材料组合。精确连接方法的发展显示出对实现上述目标的兴趣日益浓厚，最重要的是生产高效的多金属组件。冲击焊接可以达到这个目的，并且可以通过具有较大界面压力的杠杆作用，将熔化温度极不相同的金属对接合起来，这可以通过零件之间的强烈碰撞来实现。冲击焊接在固态时可产生精确的粘结，而熔焊则需要发生熔化事件，这可能导致材料不相容。冲击焊接工艺的长度范围也从毫米到米[1]。可以使用多种方法来获得强烈的碰撞，这些方法包括炸药的爆炸（爆炸焊接），电磁脉冲的应用（电磁脉冲焊接）和激光脉冲的应用（激光脉冲焊接）[1]，以及最近引入的一种使用炸药的气化方法（气化箔执行器焊接）[2,3]。在这些过程中，电磁脉冲焊接（MPW）被认为是可靠且符合成本效益，能节省时间的[4,5]。MPW基于洛伦兹力原理工作，可用于多种材料组合，包括Cu/Zr金属玻璃[6]，Al/金属玻璃[7]，Cu/Mn[8]，柔性电路板[9]，铜/黄铜，铜/钢，铜/铝，铝/钢，铝/镁，铝/镍，铝/铁，铝/钛和钛/镍[10-12]。MPW用于各种形状的零件，例如管状零件以及板状零件，以产生具有半搭接，搭接，交叉搭接，末端搭接等的几种接头配置。[2]关于MPW和冲击焊接工艺的研究工作主要集中在可行性研究和焊缝的表征上，而这些焊缝的本质与焊接界面的波浪形起伏有关，而与金属对无关。这种波浪形界面特征也被用作焊接形成的指示性测量，因为它被认为是判断结合的标准。

对于相似的金属对已经显示出，波形形成代表着有效的界面结合，这涉及由于晶粒细化和在界面处明显的大的塑性变形而导致的硬化。因此，建议增加碰撞能量，从而增加波高，以提高接头强度[13-15]。然而，对于几种不相似的组合，例如Al/Cu[16-21]，Cu/Br[21]，Al/钢[21-24]，Al/Mg[25,26]和Al/Ti[27]，碰撞会在受限的界面区域产生局部加热，从而导致独立于界面形状的中间相形成。目前已经发现，对于Al/Fe，Al/Ni和Al/Cu等组合，这些中间相可能由非晶和/或纳米晶体结构组成[16-18]。透射电子显微镜（TEM）观察通常显示出主要的弥散光晕的典型特征。

尽管有晶面图案的可能性，但术语“无定形”被解释为非晶结构（金属玻璃型结构）的形成。然而，有证据表明，界面的断裂表面已显示出断裂破裂[17]。 这样的断裂（玻璃型断裂）通常是脆性介质的断裂，其支持考虑在界面处形成非晶相。但是，由于纳米晶金属表现出低延展性，因此它们具有相当的延展性。但是，可以解释非晶相的形成是主要的。非晶相形成的机理可以解释为界面处的局部熔化，然后以10^4–6 K/s的高冷却速率快速凝固，因此原子以其随机分配被冻结，这表示随机无结构的分布。即，超淬火阻止了处于平衡状态的原子的排列以获得规则的晶格结构。

根据目前已有知识，异种金属对的可焊性仍需进一步研究。先前的研究也证明，不同的组合为中间相的形成创造了合适的条件[17]。本文的主要目的是强调在电磁脉冲焊接过程中，不同组合对界面行为的影响。这里介绍了有关中间相形成的后果的详细研究。为此，比较了两种材料组合，包括相似的Al/Al对和不相似的Al/Cu对。这项研究清楚地强调了在几种工艺条件下牢固的键形成和各种破坏机理。

2.焊接条件

焊接测试是使用具有重叠结构的管状组件（图1）执行的，将一组带有磁场整形器的三匝线圈与电磁脉冲PULSAR MPWPULSAR MPW9 kV–25 kJ（690 F）系统相连接，提供10kHz脉冲电流和高达9kV的输入电压。半径为10 mm的内杆插入外径为25mm和厚度为1.5mm的飞轮管内。使用Al6060T6/Al6060T6和Al6060T6/Cu的配置研究了组合案例，其中铜用作异种组合的内部。表1和表2分别列出了Al6060T6和铜的材料性能和化学成分。

使用7.5 kV的恒定输入电压和各种初始径向气隙（从​​1毫米增加到5毫米，以1毫米的增量）进行焊接测试。改变内杆的直径为每次焊接测试提供初始气隙。需要注意的是，对于类似的Al6060T6金属对[8]来说，开始焊接的条件是设定值（7.5kV，1mm）。

3.Al/Al铝焊缝的界面特征

3.1．粘接接头的界面形态

使用光学和扫描电子显微镜（SEM）观察结果分析焊接界面。样品沿纵向横截面，然后在检查前用6 m，3 m和1 m的磨料颗粒和金刚石颗粒进行抛光。当增加初始气隙时，Al/Al界面会显示出各种形态。在粘合开始时（g=1mm），界面显示出笔直的形态（图2a）。观察到明显的变形，因为界面的相邻和附近晶粒显示出具有等轴晶粒结构的相同形状（图2b）。实际上，压接应力基本上是流体静压力。当气隙增加到g=2mm时，界面开始经历剪切变形，该变形涉及相邻区域的塑性变形，从而沿界面产生平直和细长晶粒的组合（图3a）。假定发生界面剪切而没有明显的滑动或脱粘，则可以得出结论，在那些晶粒伸长之前存在粘合。该观察结果意味着具有等轴界面晶粒的焊缝开始时表现出很强的结合强度。

粘结的界面在焊缝开始时是笔直的，然后在焊缝的中间逐渐呈波浪状，然后再朝焊缝的末端笔直（图3b）。界面形态的这种独特的逐渐变化是所有成功的Al/Al接头所共有的，如本文附录（A1-A5）所述。根据Ben-Artzy等人的观点，由于动态碰撞而在界面处产生的压缩冲击波的干扰控制着波浪界面的形成和发展（图4）[28]。从焊缝开始起波的位置和随后的周期性取决于飞轮的厚度和内部零件的直径，而波的长度和高度则随着压缩应力强度和沿界面的干涉而变化。 作者得出的结论是，冲击能量，碰撞角度和接头的几何形状对波的特性影响最大。 根据Grignon等人的观点，界面形态从波浪形变为光滑形是由于碰撞角随传播距离的增加而增加[29]。Watanabe和Kumai使用高速视频研究了界面的动力学特性，并证明了焊接过程中碰撞角的增加[30]。但是，渐进波的暴跌也可能归因于其他因素，例如，碰撞能量的减少或冲击波的逐渐消失，在界面以及飞行器的外壁上经过多次反射之后。

3.2．界面剪切和涡流形成

随着初始气隙的增加，界面逐渐被剪切，直到在界面的笔直区域经历过度的剪切变形。当初始气隙从g=2mm增加到g=3mm时，界面的相邻和附近的晶粒开始显着展平和拉长的结构，并且在初始气隙值更高时会进一步展平和延伸（图5a–d）。除轴向剪切外，焊缝的中间区域还经历了波浪形界面的形成，这也导致了大的变形，并随后形成了与界面相邻的径向扁平和轴向伸长的晶粒。受大应变影响的区域被限制在波浪形的界面内，这表明在波高附近有一个明显的过渡区域（图5e-g）。根据以前的研究，波高越高，焊缝越牢固[13,14]。尽管受塑性变形影响的区域非常薄且在几微米范围内；除了广泛考虑将波浪形界面用作动态碰撞获得的焊缝中的结合指标外，它还可以用作焊接性能标准。波浪形进一步演变成具有涡旋形貌的形态，该涡形形貌始于g=3mm。漩涡的发生可以用Kelvin–Helmholtz不稳定性现象解释，该现象被认为是运动学上的不稳定性[31]。 当界面受到碰撞引起的剪切作用时，运动的飞轮和静止的内杆之间的切线速度差会导致形成涡旋的运动运动流。界面在涡旋内扭曲并局部滚动，在此处由于塑性变形而产生的热量可能使局部熔化材料。在涡旋位置观察到的中间凹穴是这种在封闭区域融化的典型指示（图5）。在凝固过程中，熔化区可能引发各种有害现象，从而可能在旋涡中产生缺陷，例如裂纹，气孔或空腔（图5f–h）。

3.3．界面裂纹，空隙的形成以及界面破坏的原因

在具有最大初始气隙（g=5mm）的实验中，涡旋影响区的腔变得越来越明显，并构成了不连续的空隙，其大小达到了高达200 m的波高。熔融化合物的喷射可能是界面空隙的潜在原因。后者也可能源于固态破坏现象，例如凝固裂纹或局部脆化，然后由于强烈的界面剪切作用而碎裂和喷射颗粒[15]。由于剪切，界面晶粒也表现出大的变形。根据这些观察结果，限制在界面处的连续薄空腔层可归因于由绝热剪切带形成驱动的动力破坏机制。在剪切带层中，强烈的塑性变形会产生热量，使局部温度升高，这可能涉及热机械软化。因此，由于绝热剪切破坏，剪切的笔直界面可能成为断裂路径，从而导致界面空隙层的形成（图5d）。随着温度的升高，可能超过界面处的材料的熔化温度，也可能发生碎屑的喷射以及流体喷射现象，这也可能导致界面的剥离。这些条件是沿高剪切界面连续出现大量缺陷的另一个潜在原因。尽管如此，在实验中也注意到喷射现象。来自界面的碎片会在焊缝的末端区域附近弹出（图6a）。但是，喷射过程中的聚集决定回收碎片的尺寸（图6b）

4.1.铝/铜焊缝的界面特征

内部零件的材料由铜棒代替，因此提供了一种不同的金属组合，与以前的Al/Al情况相比，注意到了两个主要区别，包括涡旋形态和界面性质。与这些实验中使用的铝合金Al6060T6相比，铜更软并且具有更高的熔化温度，这会导致明显的涡流，从而涡旋会演变成螺旋形，界面会卷起（图7）。取决于界面的局部不稳定性，沿界面可能会出现几个旋涡（图7b）涡流区在螺旋芯和绕组中都包括中间相。在回旋流期间，过大的变形会由于塑性加工而引起加热，这可能会导致Al零件熔化。中间相也以层或袋的形式出现在Al/Cu接头的直线区域。该观察结果是针对Al/Al接头的第二个主要区别。代替金属的连续性，中间相在Al/Cu界面处构成“第三部分”，在此直接影响接头。此外，中间相的不连续性除了其可变的厚度之外还形成了双重异质性（图8）。在焊接区开始时，中间相厚且不连续（图8a），随后沿中间区发展成具有不均匀形态的连续层（图8b）。厚度从几米到大约30m不等。在焊缝的末端区域附近，也观察到中间相的出现（图8c），出现了薄层或小凹坑。中间相的这种随机化是由于沿着界面的碰撞的不均匀发展和不可控制的性质引起的。

在Al/Cu界面处出现中间相会引起其他研究人员强调的问题。Gobel等人研究了一种没有中间相介观尺度的焊接界面，但是使用TEM观察到在界面处表现出明显的连续中间膜（约50nm厚）[32]。作者得出的结论是，没有中间相的焊缝形成是不可能的[30]。然而，使用低焊接能量可以让中间相的厚度最小化[15,16,2

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