7150-T77511铝合金搅拌摩擦焊及缺陷固相修复研究

发布时间：2020-11-03 11:37

　　 搅拌摩擦焊作为固相连接技术,可避免熔焊缺陷,对于铝合金等轻质材料连接有巨大优势。但由于搅拌摩擦焊固有模式,存在接头减薄、焊后匙孔或缺陷修复以及无法支撑的问题。针对这些问题,对3 mm厚7150-T77511高强铝合金采用无减薄搅拌摩擦焊、固相填充修复和自支撑搅拌摩擦焊实现接头的无缺陷高强连接,获得无减薄接头。本文设计了分体式焊具并对其优化,研究了接头成形、微观组织、力学性能及材料流动行为,为7150-T77511高强铝合金的搅拌摩擦焊无缺陷高性能连接提供技术支持。通过内置小轴肩焊具新颖性设计,利用“一次焊接,二次成形”方式实现了无减薄高强度连接。在焊具转速800 rpm,焊接倾角1.5°,焊速100-400mm/min下,无减薄搅拌摩擦焊接头无缺陷,整个接头分为轴肩作用区、焊核区、热机影响区和热影响区。在一定范围内随焊速增加,接头变窄,晶粒细化,接头抗拉强度提高,最大可达491.8 MPa,达到母材强度的85%,断裂方式为脆性-韧性混合断裂模式。接头显微硬度呈“W”型分布,前进侧更高的焊接温度使部分强化相析出,硬度最低值出现在后退侧的热影响区。材料本身特性导致硬度受热影响区域较宽,焊速增加可提高接头整体显微硬度。通过设计可消耗式焊具,在匙孔或缺陷规则化处理后,采用“以强补弱”方式进行固相修复,实现了匙孔或缺陷的修复。对规则孔和填充棒尺寸优化设计,实现了填充接头的准等强修复,最大抗拉强度达到445.9 MPa,为焊缝强度的90.7%。填充修复接头分为填充区、混合区、新焊核区、焊核区、热机影响区和热影响区。原填充棒部分材料留在修复接头中成为填充区,填充棒材料与规则孔周围材料混合形成冶金连接成为混合区,断后填充棒在搅拌摩擦处理过程中充当搅拌针作用并形成新焊核区。随填充棒尺寸接近到略大于规则孔尺寸时,接头抗拉强度增加,混合区的细小等轴晶为两者材料混合并重新形核长大而成,硬度相比新焊核区和焊核区高,热机影响区和热影响区经历二次焊接热循环,软化严重,成为填充修复接头的最弱区域。通过设计带下支撑体搅拌针分体式焊具,以下支撑体实现背部支撑作用,达到无垫板支撑搅拌摩擦焊连接。优化自支撑搅拌摩擦焊分体式焊具形状尺寸,可适应不同板厚无垫板搅拌摩擦焊连接,尺寸的优化设计避免了轴肩外圈作用区的下榻,消除了常规搅拌摩擦焊背部弱连接和未焊透问题。该方法转速工艺区间窄,在550 rpm下一定范围内增加焊速可以减少甚至消除内部孔洞缺陷,在500 mm/min焊速下实现了无缺陷自支撑搅拌摩擦焊连接。受轴肩和下支撑体作用上焊核区和下焊核区由于结构的相似性和良好的散热条件,晶粒大小基本一致,相比焊核区晶粒更细小,各区晶粒形貌与常规搅拌摩擦焊类似。通过采用无减薄搅拌摩擦焊、匙孔或缺陷固相修复和自支撑搅拌摩擦焊,实现了材料的高强无减薄连接,对焊后匙孔进行了准等强修复,并实现了无法支撑时的搅拌摩擦连接。经焊具设计优化和对组织与性能相关性分析,实现性能优化控制,获得无减薄无缺陷高强搅拌摩擦焊接头。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG453.9
【部分图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文的特殊设计，可以实现 T 形接头的连缓解焊缝的减薄问题。实施焊接时搅接触，这时搅拌针与材料摩擦产热，拌针与静止轴肩一起朝焊接方向移动板共同约束下，材料不发生外溢和流下剧烈塑变并从侧边向后方流动，填缝[13]。整个接头分为焊核区（Weldingo-Mechanically Affected Zone，TMAZ材区（Base Material，BM）。相比传统表面光滑，无需焊后再修复，提高了接变形小，接头整体性能提高；焊缝

图 1-2 适用于常规 FSW 设备的 SSFSW 焊具及焊缝成形[14](a) SSFSW 焊具 (b) 焊缝表面成形图 1-3 SSFSW 焊具设计[15](a) 焊具模型图 (b) 焊具实物在对微观组织研究上，Li D 等人[16]对 6061-T6 铝合金 SSFSW 接头分析发现，焊核区的上、中、下部晶粒尺寸相比常规 FSW，于厚度方向上的晶粒梯度大幅降低，这有利于提高接头的整体力学性能。

图 1-3 SSFSW 焊具设计[15](a) 焊具模型图 (b) 焊具实物在对微观组织研究上，Li D 等人[16]对 6061-T6 铝合金 SSFSW 接头分析发现，焊核区的上、中、下部晶粒尺寸相比常规 FSW，于厚度方向上的晶粒梯度大幅降低，这有利于提高接头的整体力学性能。图 1-4 SSFSW 焊核区厚度方向晶粒尺寸[16](a) SSFSW 接头内部成形 (b) WNZ 上部 (c) WNZ 中部 (d) WNZ 下部
【参考文献】

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本文编号：2868520