铝合金小轴肩无倾角搅拌摩擦焊接头的成形与性能

发布时间：2020-08-10 15:00

【摘要】：搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)过程中,搅拌头的轴线一般与被焊板材法线向后倾斜一定角度,以保证焊接过程中对搅拌头后方金属施加足够的顶锻力,限制了焊缝形式(如曲线焊缝)的多样化。而采用无倾角焊接时,有利于焊缝形式的多样化,非常适用于自动化焊接。但是,很多情况下,由于结构空间有限,需采用小轴肩尺寸的搅拌头并保证相对较深的焊缝深度。因此,系统的开展无倾角、小轴肩FSW焊接技术研究,解决工业生产中出现的难题,具有较大的经济效益。本文通过对搅拌头形貌重新进行优化设计,采用SEM、EDS等分析测试方法分析了接头的显微组织及界面结构,研究了接头的宏观成形、缺陷形成机理、力学性能。研究结果表明:可以在轴肩尺寸较小的情况下获得较深的焊缝,轴肩直径与焊缝深度的比值最小可达2.35;采用带导流槽的搅拌针及0.3mm的轴肩花纹外凸高度设计能够有效改善接头的成形情况;原始搭接界面在焊接时发生迁移,接头横截面均能观察到“Hook”缺陷。热影响区晶粒尺寸与母材相比并没有发生明显长大,这与轴肩尺寸较小有关;前进侧(Advanced Side,AS)热机影响区与焊核界面非常明显;轴肩直径越小,获得无孔洞缺陷接头的能力越低,但原始界面最大迁移高度值(HD,Hook Defect)大幅降低;搅拌头转速越高或焊接速度越低,HD值越大;将原始搭接位置设置在前进侧,HD值大幅降低,最大降低幅度可达87%;焊前表面清理无法有效降低HD值,但可以降低“Hook”缺陷在焊核内的迁移长度。母材硬度最高,接头的最大软化区为靠近返回侧(Retreating Side,RS)的热影响区与热机影响区交界处;当提高焊接速度、降低搅拌头旋转速度以及降低轴肩直径时,接头软化程度降低;前进侧热影响区的硬度损失小于返回侧热影响区的硬度损失;焊核硬度不受工艺参数变化的影响。接头的抗拉强度与搅拌头旋转速度成反比,与焊接速度成正比;使用5mm轴肩直径搅拌头得到的接头抗拉强度高于使用6mm轴肩直径搅拌头得到的接头;接头抗拉强度不受是否进行了焊前表面清理的影响;工艺参数范围内,当使用6mm轴肩直径搅拌头、搅拌头转速3000rpm、焊接速度240mm/min时,接头的抗拉强度达到最高,为386MPa;接头强度由“Hook”缺陷形貌及HD值共同决定。
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9
【图文】：

示意图,氧气浓缩器,局部焊,连接件

南昌航空大学硕士学位论文第 1 章绪论氧气浓缩器底板连接件局部焊缝由带有数个气体通道的铝合金型材及同种材料的铝合金盖板组成，如图 1-2 所示。铝合金盖板厚度为 2mm，铝合金型材上部厚度为 1mm，焊缝搭接部分宽为 1mm，焊缝设计为二维弯曲形式。11盖板型材

等效模型,焊接接头,尺寸,铝合金

图 2-1 焊接接头等效模型及尺寸2.1.2 试验材料试验采用 2024-T4 铝合金冷轧板材，板厚分别为 2.0mm 及 4.0mm，其化学成分见表 2-1 所示，力学性能见表 2-2 所示。2024 铝合金属于可热处理强化硬铝合金，也被称为航空铝合金，以其高的比强度、比刚度而广泛应用于飞机蒙皮、桁架、船舶带筋壁板等国民支柱产业。表 2-1 2024-T4 铝合金的化学成分（wt%）ω（Cu） ω（Cu） ω（Mn） ω（Cu） ω（Cr） ω（Fe） ω（Ti） ω（Al）3.8～4.9 1.2～1.8 0.3～1.0 0.25 0.10 0.50 0.15 余量表 2-2 2024-T4 铝合金力学性能抗拉强度 σb/MPa 屈服强度 σ0.2/MPa 延伸率 A/% 显微硬度/HV460 290 15 146

示意图,全貌,搅拌摩擦焊,示意图

图 2-2 搅拌摩擦焊机及夹具.2 搅拌头设计与优化与常规搅拌摩擦焊类似，小轴肩搅拌摩擦焊工具组成，如图 2-3 所示。搅拌针一般由被焊材料的厚要依据试验内容进行相应设计。在本试验中，因需点，搅拌针难以像常规搅拌摩擦焊一样易于加工成此，本试验固定搅拌头夹持柄及搅拌针尺寸（搅拌进行轴肩形貌及搅拌针形貌的设计工作。

【参考文献】