厚板7B52叠层装甲铝合金搅拌摩擦焊工艺和性能表征研究
发布时间：2021-06-08 07:23
7B52叠层装甲铝合金是一种新型的具有优良抗弹性的叠层材料,相较于其它焊接方法,搅拌摩擦焊具有显著优势。本课题对16 mm厚7B52叠层装甲铝合金板材进行了搅拌摩擦焊接研究。通过分析焊缝表面温度特征和金属流动,采用在焊缝表面植入金属粉末的方法来提高焊接接头的力学性能,并对焊接接头的组织和力学性能进行研究。首先对16 mm厚的7B52叠层铝合金搅拌摩擦焊接进行工艺研究。设计正交试验,并结合热输入与焊接接头抗拉强度和冲击韧性的关系,确定了焊接工艺窗口。最优的焊接参数为:使用搅拌针表面带右旋螺纹和三平面的搅拌头,逆时针旋转,焊速50 mm/min,转速300 r/min。该参数下焊接接头抗拉强度为383 MPa,冲击韧性为13.8 J/cm2,焊接接头各片层硬度达到母材的85%。焊接接头各片层拉伸试验发现第一片层的抗拉强度最低,为353.6 MPa。然后对焊接过程的金属流动进行研究,发现焊核区出现两个“洋葱环”形貌,分析认为这是厚板焊接时搅拌针表面的三平面使厚度方向出现了两个金属流动循环产生的。焊核区后退侧叠层结构相对完整,前进侧出现紊流区。通过分析板厚方向、水平方向和...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
[1]搅拌摩擦焊示意图
硕士学位论文厚板7B52叠层装甲铝合金搅拌摩擦焊工艺和性能表征研究3图1.2[6]搅拌摩擦焊缝横截面典型结构示意图搅拌摩擦焊接过程中的热输入只有母材熔点的60%-80%，相比于传统的焊接方法，它具有无可比拟的优势[7-9]：（1）焊缝成形效率高。低热输入使得焊缝中无气孔、裂纹等缺陷；焊件变形小，无需矫形加工；（2）焊接损耗少。不需要焊丝和保护气，且搅拌头为非消耗性物品，有实验表明一个合格的搅拌头可以连续工作实现1000多米长的铝合金焊接；（3）焊接接头具有优良的综合力学性能。由于搅拌头施加了大的下压作用，类似锻造的焊接过程使焊缝组织发生细晶强化；（4）设备简单。搅拌摩擦焊设备大多可以通过改造铣床得到，焊接过程稳定；无飞溅和烟尘，操作者可以直接观察；（5）应用范围广。如今，搅拌摩擦焊已经成功运用到了低熔点金属，如铝、镁合金，高熔点金属如铜、钢等的同种金属或异种金属焊接上，且厚度在20mm以下的焊缝都得到成熟运用。但是搅拌摩擦焊在实际生产操作用仍然存在些问题，主要有[10-12]：（1）对焊接工装要求很高。焊缝间隙和高度差尽量小于0.2mm；焊缝下必须有垫板作刚性支撑；（2）接头形式比熔焊少。由于装配精度要求高，且不同深度的焊缝需要不同规格的搅拌头，一般搅拌摩擦焊多用于焊对接接头、搭接接头，而在角接接头的应用上还不够多。目前研究者也在向静轴肩、角焊缝、空间焊缝等方向展开研究，并且部分已成功应用到了工程中；（3）焊缝末端存在匙孔。在焊接结束时，搅拌针从焊件中抽出，得不到金属回填，就留下一个与搅拌针形状类似的孔洞。消除方法常采用添加引出板或着在加工材料时就进行放样，搅拌摩擦焊后将末端的匙孔切除。匙孔不是缺陷，但会影响该处焊缝的质量和美观，目前已经研究出回抽式搅拌?
硕士学位论文厚板7B52叠层装甲铝合金搅拌摩擦焊工艺和性能表征研究5图1.3铝合金列车车体搅拌摩擦焊接头多年以来，搅拌摩擦焊接工艺得到了进一步的丰富和发展[20~22]。目前已经发展出多种类型的搅拌摩擦焊接技术，如搅拌摩擦点焊、双轴肩自适应焊、复合热源搅拌摩擦焊、以及搅拌摩擦加工技术等等。其中，搅拌头[23~25]是搅拌摩擦焊的关键部件，常采用熔点较高、抗疲劳性较强的材料制作，如H13模具钢、结构陶瓷、钨基合金等。总体来说，从单一接头形式的平面焊接方式到多种接头形式和空间焊接方式；从薄板焊接到超薄板与厚板焊接的工艺创新，以及更自动化柔性化设备的研发，都是未来搅拌摩擦焊发展的方向，也必将发展出更多具有工程应用价值的新型加工技术。搅拌摩擦焊接是热-力耦合过程，在高温和机械搅拌力共同作用下，焊核区都是细小的等轴晶，细化的晶粒增加晶界数量，阻碍位错运动，使得搅拌区性能得到改善[26]。基于这一原理，自2001年起，搅拌摩擦焊技术便开始应用于金属材料的表面改性研究。在待加工区预先植入材料，利用搅拌摩擦焊金属的粘塑性流动和剧烈的晶粒变形，以期调整组织结构，获得具有特定性能的材料[27,28]。在利用纯搅拌摩擦焊技术改善材料性能方面，孙鹏[29]等人认为轴肩尺寸和转速是影响AZ31镁合金焊缝晶粒尺寸的关键因素，研究发现轴肩较大或转速较大时，加工区的晶粒也较大，较小的轴肩尺寸和较低的转速更利于得到细晶，但要以避免热输入不足引起焊接缺陷。薛鹏[30]等人用低焊速和高转速，并用水冷辅助，获得了综合性能良好的超细晶铜材料，并与通过塑性变形得到的细晶铜材进行，结果表明虽然塑性变形得到的细晶铜材抗拉强度达到400~500Mpa，搅拌摩擦焊得到的超细晶材料只有300Mpa，但后者断后延伸率是母材的50%，远远高于
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝局部金属的塑性流动特征[J]. 毛育青,柯黎明,陈玉华,刘奋成. 材料导报. 2017(24)
[2]添加钛粉对铝合金搅拌摩擦焊接头晶粒结构热稳定性的影响[J]. 邓慕阳,董丰波,陈吉,刘存励,陈科. 焊接学报. 2017(08)
[3]搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华,邢丽. 焊接学报. 2017(06)
[4]7085-T7452高强锻造铝合金搅拌摩擦焊组织及性能分析[J]. 阳代军,许青,吕华英,田志杰,徐宋娟. 热加工工艺. 2017(01)
[5]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华. 航空学报. 2017(03)
[6]6061-T6铝合金的静止轴肩搅拌摩擦焊工艺及组织性能[J]. 申浩,杨新岐,李冬晓,崔雷. 焊接学报. 2016(05)
[7]夹层材料对累积叠轧铝基复合材料的组织及性能影响[J]. 张永,赵冠楠,严鹏飞,严彪. 世界有色金属. 2016(01)
[8]搅拌摩擦焊技术及其应用发展[J]. 张欣盟,杨景宏,王春生,韩凤武. 焊接. 2015(01)
[9]搅拌摩擦焊技术发展现状与趋势[J]. 赵东升,马正斌,栾国红. 焊接. 2013(12)
[10]铝合金表面搅拌摩擦加工技术的研究进展（Ⅰ）[J]. 林英英,刘成龙,吴冰冰,黄伟九. 材料导报. 2013(15)
硕士论文
[1]铝合金7050搅拌摩擦焊接头洋葱环微观组织与力学性能[D]. 邵庆丰.兰州理工大学 2016
[2]7A52/7B52超高强铝合金铸造复合技术研究[D]. 刘二磊.东北大学 2013
[3]TA2工业纯钛表面改性的搅拌摩擦加工工艺研究[D]. 马宏刚.西安建筑科技大学 2010
[4]铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率试验研究[D]. 李树伟.兰州理工大学 2008
本文编号：3217947
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：73 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
[1]搅拌摩擦焊示意图
硕士学位论文厚板7B52叠层装甲铝合金搅拌摩擦焊工艺和性能表征研究3图1.2[6]搅拌摩擦焊缝横截面典型结构示意图搅拌摩擦焊接过程中的热输入只有母材熔点的60%-80%，相比于传统的焊接方法，它具有无可比拟的优势[7-9]：（1）焊缝成形效率高。低热输入使得焊缝中无气孔、裂纹等缺陷；焊件变形小，无需矫形加工；（2）焊接损耗少。不需要焊丝和保护气，且搅拌头为非消耗性物品，有实验表明一个合格的搅拌头可以连续工作实现1000多米长的铝合金焊接；（3）焊接接头具有优良的综合力学性能。由于搅拌头施加了大的下压作用，类似锻造的焊接过程使焊缝组织发生细晶强化；（4）设备简单。搅拌摩擦焊设备大多可以通过改造铣床得到，焊接过程稳定；无飞溅和烟尘，操作者可以直接观察；（5）应用范围广。如今，搅拌摩擦焊已经成功运用到了低熔点金属，如铝、镁合金，高熔点金属如铜、钢等的同种金属或异种金属焊接上，且厚度在20mm以下的焊缝都得到成熟运用。但是搅拌摩擦焊在实际生产操作用仍然存在些问题，主要有[10-12]：（1）对焊接工装要求很高。焊缝间隙和高度差尽量小于0.2mm；焊缝下必须有垫板作刚性支撑；（2）接头形式比熔焊少。由于装配精度要求高，且不同深度的焊缝需要不同规格的搅拌头，一般搅拌摩擦焊多用于焊对接接头、搭接接头，而在角接接头的应用上还不够多。目前研究者也在向静轴肩、角焊缝、空间焊缝等方向展开研究，并且部分已成功应用到了工程中；（3）焊缝末端存在匙孔。在焊接结束时，搅拌针从焊件中抽出，得不到金属回填，就留下一个与搅拌针形状类似的孔洞。消除方法常采用添加引出板或着在加工材料时就进行放样，搅拌摩擦焊后将末端的匙孔切除。匙孔不是缺陷，但会影响该处焊缝的质量和美观，目前已经研究出回抽式搅拌?
硕士学位论文厚板7B52叠层装甲铝合金搅拌摩擦焊工艺和性能表征研究5图1.3铝合金列车车体搅拌摩擦焊接头多年以来，搅拌摩擦焊接工艺得到了进一步的丰富和发展[20~22]。目前已经发展出多种类型的搅拌摩擦焊接技术，如搅拌摩擦点焊、双轴肩自适应焊、复合热源搅拌摩擦焊、以及搅拌摩擦加工技术等等。其中，搅拌头[23~25]是搅拌摩擦焊的关键部件，常采用熔点较高、抗疲劳性较强的材料制作，如H13模具钢、结构陶瓷、钨基合金等。总体来说，从单一接头形式的平面焊接方式到多种接头形式和空间焊接方式；从薄板焊接到超薄板与厚板焊接的工艺创新，以及更自动化柔性化设备的研发，都是未来搅拌摩擦焊发展的方向，也必将发展出更多具有工程应用价值的新型加工技术。搅拌摩擦焊接是热-力耦合过程，在高温和机械搅拌力共同作用下，焊核区都是细小的等轴晶，细化的晶粒增加晶界数量，阻碍位错运动，使得搅拌区性能得到改善[26]。基于这一原理，自2001年起，搅拌摩擦焊技术便开始应用于金属材料的表面改性研究。在待加工区预先植入材料，利用搅拌摩擦焊金属的粘塑性流动和剧烈的晶粒变形，以期调整组织结构，获得具有特定性能的材料[27,28]。在利用纯搅拌摩擦焊技术改善材料性能方面，孙鹏[29]等人认为轴肩尺寸和转速是影响AZ31镁合金焊缝晶粒尺寸的关键因素，研究发现轴肩较大或转速较大时，加工区的晶粒也较大，较小的轴肩尺寸和较低的转速更利于得到细晶，但要以避免热输入不足引起焊接缺陷。薛鹏[30]等人用低焊速和高转速，并用水冷辅助，获得了综合性能良好的超细晶铜材料，并与通过塑性变形得到的细晶铜材进行，结果表明虽然塑性变形得到的细晶铜材抗拉强度达到400~500Mpa，搅拌摩擦焊得到的超细晶材料只有300Mpa，但后者断后延伸率是母材的50%，远远高于
【参考文献】：
期刊论文
[1]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝局部金属的塑性流动特征[J]. 毛育青,柯黎明,陈玉华,刘奋成. 材料导报. 2017(24)
[2]添加钛粉对铝合金搅拌摩擦焊接头晶粒结构热稳定性的影响[J]. 邓慕阳,董丰波,陈吉,刘存励,陈科. 焊接学报. 2017(08)
[3]搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华,邢丽. 焊接学报. 2017(06)
[4]7085-T7452高强锻造铝合金搅拌摩擦焊组织及性能分析[J]. 阳代军,许青,吕华英,田志杰,徐宋娟. 热加工工艺. 2017(01)
[5]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华. 航空学报. 2017(03)
[6]6061-T6铝合金的静止轴肩搅拌摩擦焊工艺及组织性能[J]. 申浩,杨新岐,李冬晓,崔雷. 焊接学报. 2016(05)
[7]夹层材料对累积叠轧铝基复合材料的组织及性能影响[J]. 张永,赵冠楠,严鹏飞,严彪. 世界有色金属. 2016(01)
[8]搅拌摩擦焊技术及其应用发展[J]. 张欣盟,杨景宏,王春生,韩凤武. 焊接. 2015(01)
[9]搅拌摩擦焊技术发展现状与趋势[J]. 赵东升,马正斌,栾国红. 焊接. 2013(12)
[10]铝合金表面搅拌摩擦加工技术的研究进展（Ⅰ）[J]. 林英英,刘成龙,吴冰冰,黄伟九. 材料导报. 2013(15)
硕士论文
[1]铝合金7050搅拌摩擦焊接头洋葱环微观组织与力学性能[D]. 邵庆丰.兰州理工大学 2016
[2]7A52/7B52超高强铝合金铸造复合技术研究[D]. 刘二磊.东北大学 2013
[3]TA2工业纯钛表面改性的搅拌摩擦加工工艺研究[D]. 马宏刚.西安建筑科技大学 2010
[4]铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳裂纹扩展速率试验研究[D]. 李树伟.兰州理工大学 2008
本文编号：3217947
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