铁基非晶态合金与晶态金属的激光高速冲击焊接研究

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近年来,随着微电子和电力系统的迅速发展,一些体积小、重量轻的非晶态合金以其较低的损耗、较高的磁导率以及独特的非晶结构等特点逐渐引起了人们的广泛关注。然而,在维持非晶态合金非晶结构不变的情况下,在微尺度上不易实现非晶态合金与晶态金属的焊接,进而限制了其在工业中的应用。激光高速冲击焊接工艺在微尺度上实现异种材料的连接具有显著的优势。因此本文通过激光高速冲击焊接的方式对铁基非晶态合金与晶态金属的焊接进行了实验研究,其主要的研究内容和结果如下:首先,研究了激光与物质相互作用形成等离子体的机理,分析了高速冲击焊接过程中冲击波形成的原因;确立了高速冲击焊接过程形成的前提条件,介绍了高速冲击焊接界面特征;此外还对界面波的形成机理进行了研究和探讨。其次,通过激光高速冲击焊接的方式对T2紫铜与铁基非晶合金(GB1K101)的焊接进行了实验研究。实验结果表明:退火态T2紫铜与铁基非晶合金焊接获得了波状焊接界面,获得了较好的焊接质量;冲击焊接后复板和基板均发生了回弹,复板上表面形成了环状的表面波;X射线能谱仪(EDS)检测出试样焊接界面处没有发生元素扩散以及形成金属间化合物;不同激光能量下会出现平直状或波状的焊接界面;X射线衍射仪(XRD)测试显示较低的能量冲击焊接后铁基非晶合金的非晶态结构没有破坏,仍保持非晶态结构的优异性能;冲击焊接后界面处硬度显著提高;试样的拉伸剪切力和剥离力均随着激光能量的增加而增大,并且断裂位置均位于铜材一侧;随着复板厚度的增大,焊接界面形貌由波状界面转变为平直状界面。最后,进行了激光高速冲击焊接铝与铁基纳米晶合金(GB1K107)的实验研究,对不同飞行距离下焊接试样的显微组织和力学性能进行了观察和测试。研究结果表明:铝与铁基纳米晶合金能够成功地实现焊接;随着复板飞行距离的增大,复板表面发生了严重的塑性变形,焊接界面从平直状变化为波状界面,进而到具有局部熔化的波状界面;EDS检测到飞行距离较大时局部熔化区域处发生了微弱的元素扩散,扩散层厚度约为2.5μm;增大激光能量或飞行距离均能使焊接界面形貌由平直状界面向波状界面过渡;随着飞行距离的增大,焊接试样拉伸剪切失效负载和剥离失效负载均先增大后减小,且拉伸和剥离失效形式均为焊点边缘断裂失效。本文的研究将为微尺度下铁基非晶态合金与晶态金属的连接提供了新的途径并进一步为工业上的应用提供理论和实验指导。
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