轨道交通用7A04铝合金FSW接头组织性能研究

发布时间：2020-06-17 09:54

【摘要】：由于力学性能和物理性能上的优势,铝合金在航空航天、航海及军工等方面的应用越来越广,但不同行业对铝合金性能要求的标准并不相同,传统焊接方式也难以发挥铝合金本身优良的性能。搅拌摩擦焊(Friction stir welding FSW)独特的工作原理使之特别适合于焊接镁、铝等低熔点金属,发挥铝合金本身优良的性能。本文主要研究7A04铝合金搅拌摩擦焊工艺及组织性能,以推动7000系铝合金搅拌摩擦焊在轨道交通方面的应用性。轨道交通由于振动的循环性,除对材料强度、硬度有一定要求外,还对材料的加工性及疲劳性能要求比较高。本文主要研究内容包括探究3mm厚7A04铝合金搅拌摩擦焊工艺,研究搅拌摩擦焊接头常规力学性能、疲劳强度等;此外,试验中在7A04铝合金中加入钇(Y)元素,探究不同Y含量对7A04铝合金显微组织、力学性能等的影响。试验结果表明,7A04铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区晶粒同时经受搅拌头搅拌作用和摩擦热作用,发生动态再结晶,形成细小的等轴晶;热机影响区晶粒处于搅拌头轴肩边缘,受摩擦热作用小,未发生动态再结晶,晶粒被明显拉长,尺寸较大;热影响区晶粒未受到搅拌头搅拌作用,只受到摩擦的热作用,晶粒长大,是接头中性能较差的区域。硬度试验证明FSW接头显微硬度沿横截面方向呈“W”分布,母材硬度值最高约170HV200g;焊核区显微硬度略低于母材,但明显高于热机影响区和热影响区,达152HV200g;接头中硬度值最低处位于前进侧热影响区,硬度只有110HV200g。搅拌摩擦焊工艺试验证明旋转速度1000r/min,焊接速度120mm/min得到的搅拌摩擦焊接头具有最高的抗拉强度452MPa,为母材抗拉强度的77.3%,伸长率也较高为4.24%。对旋转速度1000r/min、焊接速度120mm/min接头进行疲劳试验,接头疲劳强度为141MPa,断口中存在韧窝,为韧性断裂。接头EBSD试验中搅拌摩擦焊接头热影响区和热机影响区小角度晶界比例达40%,远高于母材和焊核区小角度晶界比例;通过极图与反极图可观察到接头各区织构强度不是很高,不存在明显的方向性。在7A04铝合金合金优化试验中,添加钇元素后,铸态显微晶粒明显细化,抗拉强度有所升高,且随钇元素含量增加,晶粒越来越细小,强度越来越高,在钇元素含量为0.25%时晶粒尺寸最小,抗拉强度最高。对含0.25%钇的7A04铝合金进行搅拌摩擦焊,接头强度低于未添加Y元素的7A04铝合金搅拌摩擦焊接头。试验证明Y元素能细化晶粒,提高材料显微硬度、抗拉强度等力学性能,但含钇元素材料不适合进行焊接或热处理等加工。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9
【图文】：

示意图,铝合金型材,宽幅,搅拌摩擦焊

１．２搅拌摩擦焊的特点逡逑搅拌摩擦焊是英国焊接研宄所（ＴＷＩ）于２０世纪中期发明的一种新型的焊逡逑接方法，焊接示意图如图１．１。其原理是将搅拌头旋转着插入被焊零件，零件待逡逑焊区承受搅拌头的摩擦热处于热塑性状态，搅拌头保持高速旋转状态沿被焊零逡逑件的待焊界面向前移动，带动热塑性状态的材料环绕搅拌头由前向后转移，在热逡逑－－机联合作用下材料扩散连接形成致密的ＦＳＷ接头。逡逑热愾响逡逑姑影响区逡逑图ｕ搅拌摩擦焊示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｆｒｉｃｔｉｏｎ邋ｓｔｉｒ邋ｗｅｌｄｉｎｇ逡逑搅拌头是搅拌摩擦焊的核心，在焊接过程中起着：加热和软化被焊材料、逡逑破碎和弥散母材表面的氧化物、使转移后的热塑性材料形成固相接头的作用。鉴逡逑于搅拌头有这些功能的实现，因此需要搅拌头具有热强性、耐磨性、抗蠕变性等逡逑优良性能。在焊接过程中，软化金属的流动非常复杂，且受多种因素的影响，对逡逑于不同材料不同厚度的的焊接需要采用不同规格的搅拌头。为满足焊接需要，逡逑ＴＷＩ研制了多种形状搅拌头，如锥形螺纹搅拌头、三槽锥形螺纹搅拌头，不同逡逑形状的搅拌头可针对不同的焊接材料进行搅拌摩擦焊接ｔ２２

宏观形貌,搅拌摩擦焊接,宏观形貌

逡逑图１．２船舶用宽幅铝合金型材逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｗｉｄｅ邋ｗｉｄｔｈ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｆｏｒ邋ｓｈｉｐｓ逡逑Ａ．邋Ｋ邋ＬＮ，邋Ｂａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ等［３０］发现ＡＮＮ模型能够在他们己经训练的范围逡逑内很好地预测拉伸强度。当与响应表面模型相比时，ＡＮＮ模型在估计拉伸强度逡逑方面更加快速准确。Ｍ邋１１３１＾０￥３１１等［３１］则关于微观组织和抗拉强度与搅拌针的关逡逑系进行了试验。Ｓａｂａｒｉ邋Ｓ邋Ｓ，Ｍａｌａｒｖｉｚｈｉ邋Ｓ等尝试了用水下搅拌摩擦焊技术来保持逡逑低的焊接热输入，得到细小晶粒，减小热影响区和机械热影响区的宽度。逡逑１．３．１邋７０００铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷逡逑搅拌摩擦焊作为新型的固相连接技术，依靠摩擦热使母材处于热塑性状态，逡逑达到焊接的目的，适合于焊接低熔点合金。但焊接参数不合适的情况下，接头中逡逑也容易产生各种缺陷。逡逑（１）

【参考文献】