超高强铝合金非对称回填式FSSW成形特征与接头组织性能

发布时间：2018-04-13 02:34

本文选题：非对称回填式搅拌摩擦点焊 + 有限元数值模拟　；参考：《哈尔滨工业大学》2015年博士论文

【摘要】：7B04超高强铝合金由于其优异的力学性能,在航空航天领域得到广泛的应用。为了防止其在服役过程中发生腐蚀,通常在板材表面覆有一层纯铝组成的包覆铝层;回填式搅拌摩擦点焊(FSSW)作为一种新型固相点焊技术,可有效消除常规FSSW接头存在的匙孔,从而提高接头的承载能力。对于带有包覆铝的7B04铝合金回填式FSSW,当焊接热输入较小时,材料热膨胀体积的增加无法弥补材料溢出所造成的体积损失,从而导致接头产生环沟槽及孔洞缺陷。提高焊接热输入又会造成搅拌区(SZ)内的包覆铝带进入接头承载时的高应力区,从而成为接头失效的裂纹源。针对以上问题,本文提出非对称回填式FSSW新工艺,通过提高焊接回填阶段搅拌针的下扎速率来弥补材料的体积损失,从而实现在较小的焊接热输入下获得无焊接缺陷的回填式FSSW接头,最终达到提高接头力学性能的目的。研究了焊接温度场、流场及材料的变形行为,建立了非对称回填式FSSW三维热力耦合有限元模型,采用数值模拟的方法对焊接过程进行了揭示。结果表明,非对称回填式FSSW的温度场关于焊点中轴线呈中心对称。焊接过程中SZ在厚度方向上存在较大的温度梯度,最高温度超过沉淀相的固溶温度,在较大的扎入深度、较高的转速及较小的运动速率下,SZ最高温度超过材料的固相线温度。热机影响区(TMAZ)最高温度超过沉淀相的固溶温度而低于材料的固相线温度。热影响区(HAZ)的最高温度超过沉淀相的粗化温度而低于其固溶温度。被焊材料在焊具的驱动下围绕焊点中轴线呈圆周流动。在焊接扎入阶段,搅拌套下方材料由外侧相中心汇聚,并由搅拌套底部向搅拌套空腔上部填充。在焊接的回填阶段,搅拌套空腔内材料由上向下流出空腔,到达空腔底部后由焊点中心向外侧流动。随着搅拌套扎入深度的增加被焊材料的应变速率没有明显变化,其应变量有所增加。较大的焊具转速可提高被焊材料的应变速率,进而增加其应变量。随着搅拌套运动速率的降低塑性材料的应变速率有所降低,而应变量有所增加。研究了焊点形貌特征及接头微观组织的演变规律,提出了共晶组织及液化裂纹的形成机制。结果表明,焊后搭接界面原始的包覆铝层在SZ内重新分布,形成U形的包覆铝带形貌,SZ外侧原始搭接界面向上迁移,从而形成上翘的Hook形貌。随着焊接热输入的增加,包覆铝带弯曲程度及Hook高度均有所增加。SZ发生连续动态再结晶,初始沉淀相发生完全固溶,在随后的冷却阶段析出η及E相。随着焊接热输入的增加,SZ内晶粒及析出沉淀相的尺寸有所增加。高热输入条件下SZ温度超过铝合金的固相线温度,晶界处溶质富集区发生熔化,冷却时产生共晶组织。更高的焊接热输入导致连续分布的液化层形成,材料的剧烈塑性流动使液化层被撕裂,从而形成液化裂纹。TMAZ引入大量增殖位错,晶粒发生扭曲,沉淀相发生粗化及向稳定相转化,其密度有所降低。随着焊接热输入的增加,TMAZ内晶粒扭曲程度及位错密度有所增加,沉淀相密度有所降低。HAZ在焊接热作用下沉淀相发生粗化,随着焊接热输入的增加,沉淀相粗化程度有所增加。研究了接头力学性能随工艺参数的变化规律,实现了工艺优化。在拉剪载荷作用下接头高应力区位于Hook尖端及SZ外部。随着搅拌套扎入深度、焊具转速以及搅拌套运动速率的增加,接头的拉剪失效载荷均呈先上升后下降的趋势。接头主要以界面断裂,混合断裂以及纽扣断裂三种模式发生失效。建立了焊接参数与接头拉剪失效载荷之间的二阶响应模型并进行了工艺参数的优化,得到的最佳工艺参数为:搅拌套扎入深度p=2.92mm,焊具转速ω=1494rpm以及搅拌套运动速率rs=1mm/s,所获得最优接头的拉剪失效载荷为10912N。提出获得高力学性能接头的条件为:SZ内包覆铝带具有足够的向下迁移距离,同时具有较小的向上迁移距离;具有较小的Hook上升高度;避免液化裂纹的生成;SZ材料具有较高的强度。
[Abstract]:In order to prevent corrosion in the process of welding , this paper puts forward an asymmetric backfill type FSSW process , which can effectively eliminate the volume loss caused by the overflow of the material under the driving of the welding tool . With the increase of welding heat input , the grain distortion degree and dislocation density in TMAZ increased , and the density of precipitation phase decreased .

【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9

【参考文献】