铝/钢搅拌摩擦搭接接头力学和组织特性探析

第 1 章 绪论

搅拌摩擦焊(简称 FSW)，是英国焊接研究所（简称TWI）于 1991 年研发出的一种新型连接技术[3-5]。其原理如图 1-1 所示，搅拌摩擦焊接过程中，利用搅拌头上的搅拌针高速旋转缓慢扎入被焊工件，直至轴肩与工件接触，搅拌头与被焊工件之间的摩擦剪切阻力产生的摩擦热使得轴肩附近的材料达到热塑性状态。随着搅拌头旋转向前移动热塑性状态的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在轴肩和工件表层摩擦产热和下压力共同作用下，形成致密的固相连接接头。搅拌摩擦焊接过程中材料不发生熔化，因此不存在熔焊产生的热裂纹、气孔等缺陷，并且焊后接头的变形小，残余应力低，接头强度系数高。在有色金属如铝、铜、镁的焊接中得到了广泛的应用，同时国内外有学者对钢和铝的连接也有一定的研究。本文拟采用搅拌摩擦焊进行铝和钢搭接的研究，旨在提高铝/钢搭接接头的力学性能。首先利用三个搅拌针长度不同的搅拌头进行搅拌摩擦焊接试验，通过对其宏微观组织特征、接头界面区的化合物特征、硬度分布情况，断口形貌进行分析，将它们与接头的力学性能联系起来；进而，分别尝试搅拌头的优化设计和采用双道搅拌摩擦焊接工艺，在保证焊缝成形良好、宏微观组织无缺陷前提下，获得可靠的铝/钢搭接接头。

第 2 章 试验材料、设备及方法

2.1 试验材料
本文采用 3mm 厚的 6082-T6 铝合金板材和 2mm 厚的 QSTE340TM 热轧结构钢薄板进行搅拌摩擦搭接试验。6082 铝合金具有中等强度和良好的焊接性能及耐蚀性能，广泛应用于交通运输和结构工程行业。6082 铝合金为 Al-Mg-Si 系可处理铝合金，加入 Mg和 Si 主要是为了形成强化相 Mg2Si，，Mg2Si 在 Al 中的固溶度可达 1.95%，随温度下降，固溶度显著减小，经过 T6 淬火后人工时效处理可形成 G.P.区和过渡相β ", 使合金得到强化，Cu 的加入还可以形成θ （CuAl2）相、S（CuMgAl2）相和 W（Cu4Mg5Si4Al）相，进一步增强时效强化作用，Mg的加入可起固溶强化和增强抗蚀性的作用。其主要化学成分及原始的力学性能参数如表 2-1 所示，微观组织特征如图 2.1(a)所示。

2.2 试验设备
铝和钢搅拌摩擦搭接所用的焊具为自主设计的搅拌头，由夹持区、内凹轴肩、带有螺纹的圆柱形搅拌针组成，轴肩呈内凹状，为了促进材料的流动在搅拌针上刻有右旋螺纹，搅拌头的形状尺寸为：轴肩直径 14mm，搅拌针直径 6mm，搅拌针长度分别为 2.9mm、3.1mm、3.3mm，如图 2-3 和表 2-4所示；所采用的材料为 M42 高速钢，成分为 W2Mo10Cr4Co8，钢材硬度高，热处理后可达 70HRC，热硬性好，具有很强的耐磨、抗冲击性能，适合制造各种切削及加工工具。对于铝和钢的搅拌摩擦搭接，由于下部钢板熔点高，硬度较大，因此 M42 模具钢适合焊接铝/钢的搭接。

第 3 章 铝/钢 FSW 搭接接头性能及组织特征分析..........................17

3.1 引言 ........................... 17

3.2 焊缝成形 ........................... 17

第 4 章 双道焊对铝/钢 FSW 搭接接头性能及组织特征的影响....................38

4.1 引言 ........................ 38

4.2 焊缝成形 .............38

第 5 章 新型搅拌头对铝/钢 FSW 搭接接头适应性分析 ...............................46

5.1 引言 .......................... 46

5.2 焊缝成形 ........................ 46

第 5 章 新型搅拌头对铝/钢 FSW 搭接的适应性分析

5.1 引言
铝和钢搭接搅拌摩擦焊接头力学性能取决于界面区的结合面积及化合物的种类厚度。本章在以上对搅拌针长度对铝/钢搭接 FSW 接头组织性能分析的基础上，对搅拌头的形状及其尺寸进行了优化设计，分析其对铝/钢搅拌摩擦焊搭接接头及界面特征的影响。

5.2 焊缝成形
在第三章的基础上设计了新的搅拌头,将柱状的搅拌针改成哑铃状，其设计图及实物图如图 5-1 所示，加工和热处理之后进行焊接，搅拌头材料及形状尺寸如表 5-1 所示。焊接参数为：转速 1000r/min，焊速 100mm/min，倾角2.5°，轴肩下压量 0.2mm。焊后表面成形如图 5-2 所示。图 5-2 所示为焊后焊缝表面的宏观形貌，其与第三章中得到的焊缝宏观形貌基本相同，焊缝表面成型美观，无沟槽等缺陷，鱼鳞纹清晰均匀，焊缝的飞边也较少，这可能是由于材料的热输入量较大，6082-T6 铝合金材料的流动性好所致，焊缝中心被搅起的材料黏在了焊缝的前进侧。铝/钢 FSW 搭接接头的宏观形貌特征如图 5-3 所示，由于在焊接过程中，焊缝各部分金属经历了不同的热循环和塑性变形，接头不同区域宏观形貌有所不同，接头由焊核区、界面区、热机影响区(TMAZ)、热影响区、钢侧细晶区和母材（BM）等部分组成。铝和钢在界面处通过冶金结合紧密连接在一起，接头宏观呈碗状，在铝合金一侧的焊核区可以看到典型的“洋葱环”结构，铝/钢界面处明显看出发生了一定的冶金反应，而出现不同于铝和钢组织的区域，在搅拌针作用区域距离焊缝中心最远处同样出现了钩状结构，而在界面区的中心出现了较少量的深色夹杂物。
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结 论

本文针对6082-T6铝合金和 QSTE340TM钢的搭接搅拌摩擦焊进行研究，分析铝/钢搭接接头的组织特征、金属间化合物特征以及接头的力学性能，并将力学性能与组织特征和金属间化合物的关系对应联系起来，探究获得较高力学性能的铝/钢搭接搅拌摩擦焊接头的可行性及方法。主要结论如下：（1）利用自主设计的搅拌头进行铝/钢搭接搅拌摩擦焊，验证了利用搅拌摩擦焊实现铝/钢搭接焊接的可行性，焊缝成形美观，接头力学性能较高，最大拉剪载荷能达到 5233N。（2）铝/钢搅拌摩擦焊搭接接头宏观上呈碗状结构，接头可以分为焊核区、热机影响区、热影响区、界面区、细晶区及两侧母材等部分。其中界面区存在着钢搅入铝中的夹杂物、钩状结构、钢侧的叠层结构及金属间化合物等复杂的形貌，使得界面区成为铝/钢搭接接头中最薄弱的部位。（3）对铝/钢搭接接头力学性能分析，发现拉剪试验均沿着铝和钢的结合面处撕裂，断口分析呈现解理状，为脆性断裂。搅拌针长度为 3.1mm 时，接头最大拉剪载荷为 5233N，明显高于搅拌针长度为 2.9mm 和 3.3mm 时的接头的力学性能，系统地分析发现这与界面区的宽度及界面组织尤其是金属间化合物层的厚度有关。
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参考文献（略）