铝/铜层状复合板真空电子束焊接行为

doi:10.7527/S1000-6893.2023.28288

材料工程与机械制造

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铝/铜层状复合板真空电子束焊接行为

高会良¹, 陈洪胜¹^,²(), 王文先²^,³, 柴斐², 汪卓然², 刘国廷², 巩鹏飞¹

^1.太原理工大学机械与运载工程学院，太原 030024
^2.智能水下装备山西省重点实验室，太原 030024
^3.太原理工大学材料科学与工程学院，太原 030024

收稿日期:2022-11-19 修回日期:2022-12-12 接受日期:2023-01-08 出版日期:2023-10-15 发布日期:2023-02-17
通讯作者: 陈洪胜 E-mail:chenhongsheng@tyut.edu.cn
基金资助:
山西省重点研发计划(202102150401003);中央引导地方项目(YDZJSX2022A018);大学生创新创业训练计划项目(20210078)

Vacuum electron beam welding behavior of Al/Cu bimetallic composite plate

Huiliang GAO¹, Hongsheng CHEN¹^,²(), Wenxian WANG²^,³, Fei CHAI², Zhuoran WANG², Guoting LIU², Pengfei GONG¹

^1.College of Mechanical and Vehicle Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^2.College of Materials Science and Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China
^3.Shanxi Key Laboratory of Intelligent Underwater Equipment，Taiyuan 030024，China

Received:2022-11-19 Revised:2022-12-12 Accepted:2023-01-08 Online:2023-10-15 Published:2023-02-17
Contact: Hongsheng CHEN E-mail:chenhongsheng@tyut.edu.cn
Supported by:
Key Research and Development Program of Shanxi Province(202102150401003);Central Guidance Local Project(YDZJSX2022A018);College Students’ Innovative Entrepreneurial Training Plan Program(20210078)

摘要/Abstract

摘要：

铝/铜（Al/Cu）层状复合板兼具铝合金和铜合金的双重优势，在航空航天等领域具有广泛的应用前景。采用真空电子束焊接方法对Al/Cu层状复合板进行焊接（铝层在上、铜层在下），研究不同的焊接工艺参数对焊接接头成形性能、微观组织及力学性能的影响。试验结果表明：铝层焊缝主要由α⁃Al和Al⁃Cu共晶组织组成，铜层焊缝中心为Al₂Cu和AlCu金属间化合物，边缘由Al₄Cu₉、AlCu和Al₂Cu金属间化合物组成。平行铝层和铜层处显微硬度在母材与热影响区变化不明显，铝/铜界面层处母材→热影响区→焊缝的显微硬度呈逐渐增大趋势，硬度最大为578.1 HV，垂直界面处显微硬度逐渐增大，最大硬度为590.4 HV。纳米压痕显示在焊缝上部、界面区域和下部的压痕回复率分别为6.31%、10.88%和7.84%，焊缝中心处有较高的弹性模量和硬度。焊接接头的抗拉强度最高为64.38 MPa，为母材强度的36%，延伸率为1.44%，铝层焊缝呈现为准解理断裂，铜层焊缝呈现为沿晶断裂，断裂位置发生在Al⁃Cu共晶组织和Al₂Cu的金属间化合物区域。

关键词: 电子束焊接, 铝/铜层状复合板, 物相组成, 纳米压痕, 显微硬度, 断裂机理

Abstract:

Aluminum/copper （Al/Cu） bimetallic composite plate has the advantages of both aluminum alloy and copper alloy， and has a wide application prospect in aerospace and other fields. In this paper， vacuum electron beam welding （EBW） method was used to weld Al/Cu bimetallic composite plate （Al layer on top and Cu layer on bottom）， and the influence of different welding parameters on the formability， microstructure and mechanical properties of welded joints was studied. The experimental results show that the weld of Al layer is mainly composed of α-Al and Al-Cu eutectic structure， the weld center of Cu layer is composed of Al₂Cu and AlCu intermetallic compounds， and the edge is composed of Al₄Cu₉， AlCu， and Al₂Cu intermetallic compounds. The microhardness of the base material → heat affected zone → weld at the Al/Cu interface layer increases gradually， and the maximum hardness is 578.1 HV. The maximum hardness is 590.4 HV at the vertical interface. The nanoindentation show that the indentation recovery rates in the upper part of the weld， the interface area and the lower part of the weld are 6.31%， 10.88% and 7.84%， respectively， and the center of the weld has higher elastic modulus and hardness. The maximum tensile strength of the welded joint is 64.38 MPa， 36% of the strength of the base metal， and the elongation is 1.44%. The Al layer of the welded joint shows quasi-cleavage fracture， while the Cu layer shows intergranular fracture， which occurs in the region of Al-Cu eutectic structure and Al₂Cu intermetallic compound.

Key words: electron beam welding, Al/Cu bimetallic composite plate, phase composition, nanoindentation, microhardness, mechanism of fracture

中图分类号:

V252

高会良, 陈洪胜, 王文先, 柴斐, 汪卓然, 刘国廷, 巩鹏飞. 铝/铜层状复合板真空电子束焊接行为[J]. 航空学报, 2023, 44(19): 428288-428288.

Huiliang GAO, Hongsheng CHEN, Wenxian WANG, Fei CHAI, Zhuoran WANG, Guoting LIU, Pengfei GONG. Vacuum electron beam welding behavior of Al/Cu bimetallic composite plate[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2023, 44(19): 428288-428288.

图/表 18

图1

表1

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表 3

图11

图12

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表 4

图14

参考文献 22

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

铝（ AA1060）	铝	铜	硅	铁	锰	镁	锌	钛
占比/wt%	其余	0.05	0.25	0.35	0.03	0.03	0.05	0.03
铜（T2）	铜	磷	镍	硅	铁	锌	硫	银
占比/wt%	其余	0.07	0.02	0.04	0.08	0.09	0.09	0.1

点	铝/at%	铜/at%	物相分析
1	98.19	1.81	α-Al
2	95.41	4.59	α-Al
3	71.39	28.61	Al-Cu共晶
4	96.24	3.76	α-Al
5	83.87	16.13	Al-Cu共晶
6	69.77	30.23	Al₂Cu
7	67.73	32.27	Al₂Cu
8	54.97	45.03	AlCu
9	23.60	76.40	Al₄Cu₉
10	42.41	57.59	AlCu
11	63.53	36.47	Al₂Cu

区域	母材			热影响区				熔合区
区域	铝	铝/铜界面	铜	铝	铝/铜界面		铜	铝	铝/铜界面	铜
硬度/GPa	0.44	0.51	0.52	0.83	0.91	0.88		1.00	1.25	1.10
弹性模量/GPa	67.12	83.38	86.85	133.85	130.52	138.69		145.01	132.77	134.29
压入总功/（10^-9J）	29 272	34 469	35 228	26 802	26 776	26 398		25 052	20 033	22 040
卸载功/（10^-9J）	2 359	1 882	1 984	1 595	1 650	1 588		1 580	2 020	1 729
压痕回复率/%	8.06	5.46	5.63	5.95	6.16	6.02		6.31	10.08	7.84

点	铝/at%	铜/at%	物相分析
1	81.87	18.13	Al-Cu共晶
2	82.91	17.09	Al-Cu共晶
3	81.84	18.16	Al-Cu共晶
4	61.22	38.78	Al₂Cu
5	59.84	40.16	Al₂Cu
6	66.54	33.46	Al₂Cu

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