铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊技术研究

发布时间：2018-12-27 18:29

【摘要】：静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)是英国焊接研究所基于传统搅拌摩擦焊开发的一种新型固相连接技术,具有焊接载荷低、焊缝表面光滑、基本无飞边与减薄、摩擦热沿板厚较均匀及适应性强等优势,在钛合金、不同厚度铝合金及角焊缝搅拌摩擦焊复杂形式接头方面的制造中有广阔应用前景。但截至目前,仅有屈指可数的文献对SSFSW接头的组织及力学性能进行了公开报道。有关SSFSW搅拌工具、接头形式、焊接工艺、组织缺陷及接头性能等基本问题仍未得到系统深入的研究与阐述。本文开发了适用于对接接头和不同形式T形接头的SSFSW焊接工具及工装,采用6061-T6/T4、7075-T651和5A03-H112四种铝合金为试验材料,在对接头焊接工艺优化与材料焊接性进行深入系统试验研究基础上,对SSFSW接头中材料冶金特征、组织与缺陷、力学性能、非均质性、撕裂韧性和疲劳性能进行了深入系统的研究。主要结论如下:1.设计研制了SSFSW焊接工具及工装夹具,对搅拌工具形状、尺寸范围及静止轴肩与搅拌针配合间隙等关键问题进行了详细试验探讨,成功实现了板厚度为5 mm的三种铝合金无缺陷SSFSW对接接头和6061-T4铝合金无填充材料及有填充材料无缺陷SSFSW-T形接头的焊接过程,为后续SSFSW技术的焊接工艺优化、组织及性能的研究提供重要基础。2.对SSFSW对接接头及T形接头焊接工艺、焊缝成型及缺陷进行了详细研究。试验结果表明:无缺陷的SSFSW对接接头表面平整光滑,焊缝基本无减薄现象,有填充材料T形接头可明显改善焊缝过渡圆角。SSFSW接头焊接应力及变形低,基本无残余变形。在不恰当参数下,SSFSW接头主要缺陷为材料流动性不足导致的焊缝表面沟状缺陷,由于静止轴肩对焊缝的挤压作用,表面成型光滑的对接接头不易产生内部缺陷。不同铝合金材料焊接性差别明显,5 mm厚度6061-T6、7075-T651和5A03-H112对接接头的优化焊接工艺窗口分别为:750~2000 rpm50~400 mm/min、750~1500 rpm100~200 mm/min和1500 rpm30~50 mm/min;5 mm厚度6061-T4铝合金无填充材料T形接头优化工艺为1500 rpm100/300mm/min;有填充材料T形接头优化工艺为1500 rpm100 mm/min。3.对SSFSW对接及T形接头焊缝宏观与微观组织特征进行了详细分析。试验表明:对接接头分为焊核区(NZ)、热力影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)。其中6061-T6和5A03-H112接头NZ形状与搅拌针轮廓类似,为锥台形,7075-T651接头NZ形状为鼓形;TMAZ对称的分布在NZ两侧很窄的范围内,HAZ分布于TMAZ外侧,且两者宽度明显小于传统FSW接头。6061-T4不同形式T形接头分区与对接接头相同,但形状有所不同。其中NZ形状对称为伞状,TMAZ分布在NZ外侧,HAZ分布于TMAZ外侧。4.对不同类型铝合金SSFSW接头,搅拌工具、焊接速度与转速是影响接头力学性能的关键因素。试验表明,在较优的焊接参数下,6061-T6和7075-T651对接接头强度系数分别为母材的78%和69%,最薄弱区在HAZ区,最低硬度处硬度最大值分别为母材的68%和69%,在给定主轴转速下焊接速度的影响更为显著;而对非热处理强化铝合金5A03-H112,对接接头硬度与抗拉强度受焊接参数影响不大,NZ硬度水平与母材相当,抗拉强度最高为母材的99.6%。对于无填充材料T型接头,螺纹搅拌针可以增加材料的流动性,有效避免内部缺陷的产生。在优化工艺下无填充和有填充材料T形接头底板强度系数最高分别可达母材的68%和78%,筋板强度系数最高分别可达母材的83%和96%。5.SSFSW焊接接头存在显著显微组织与力学性能非均质性,不同种类铝合金材料接头非均质特性明显不同。试验表明:非热处理强化的5A03-H112铝合金对接接头力学性能非均质性很小,其硬度和抗拉强度与母材相当;组织非均质性主要体现在NZ为细小等轴晶,而母材和HAZ为轧制晶粒结构。热处理强化的6061-T6和7075-T651铝合金对接接头焊接区组织存在明显的非均质性并导致了力学性能的非均质性。6061-T6和7075-T651组织非均质性主要体现在NZ中晶粒细化、结晶相被破碎并重新分布且沉淀相完全溶解以及HAZ中沉淀相发生转变或溶解。在不同焊接参数下两种材料对接接头最低硬度区硬度分别为母材的50~68%和64~69%;6061-T6对接接头不同位置屈服和抗拉强度分别为61.9~113.3 MPa和34.8~86.2 MPa。6.试验表明铝合金材料种类不同是影响SSFSW接头撕裂韧性的关键因素。对热处理强化6061-T6和7075-T651对接接头,焊核区最高启裂韧性可达母材的91-92%,最低位于HAZ,可达母材62-68%,表明HAZ抗裂纹开裂能力明显低于母材;但对非热处理强化5A03-H112对接接头,NZ与HAZ启裂韧性均超过母材131%以上,表明焊缝区抗开裂能力明显高于母材。这为选择SSFSW技术进行不同铝合金结构制造提供重要试验依据。7.详细研究了SSFSW-T形接头弯曲疲劳性能。试验表明无填充材料T形接头疲劳性能低于有填充材料T形接头的疲劳性能,但明显高于大部分文献中传统FSW对接接头的疲劳性能,且明显高于TIG焊T形接头的疲劳性能。采用优化的参数,在90%置信度97.5%存活率下无填充和有填充材料接头在2×106疲劳寿命时的特征疲劳强度分别为101.0 MPa和101.4 MPa,分别为IIW对熔化焊T形接头推荐值的361%和362%。应力集中决定SSFSW-T形接头的疲劳断裂位置。焊接速度影响T形接头表层超细晶的结构进而影响接头疲劳性能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9

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本文编号：2393439