【摘要】：7050-T7451高强铝合金由于具有低密度、高强度及塑性好等优点被广泛应用于交通运输、船舶制造以及航空航天领域。采用常规熔焊方法对合金进行焊接,易产生气孔、热裂纹等缺陷,导致接头力学性能受到严重影响,限制其应用。搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作为一种新型焊接技术,焊接变形小、几乎不产生气孔、裂纹等焊接缺陷,且焊接设备简单,不需保护气体。但高强铝合金FSW接头在高载荷或交变载荷条件下易引起疲劳失效问题,因此研究高强铝合金FSW接头组织结构特征及接头表面强化技术与机理十分必要。本文选用7050-T7451高强铝合金板材作为研究对象,对搅拌摩擦焊接头进行了金相、SEM及XRD观察与分析,接头硬度、拉伸与疲劳性能测试以及辅助先进激光冲击强化处理接头表面区,分析探讨冲击前后接头显微组织结构、硬度分布、残余应力变化、断口及疲劳断裂机制。试验结果表明:搅拌摩擦焊后,焊接接头主要分为焊核区(WNZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)四个区域,焊核区经历了机械搅拌和较高焊接热输入,发生动态再结晶形成等轴晶粒,组织最为细小;热力影响区受到剪切力的影响,晶粒被显著拉长;而热影响区仅受到焊接热循环的影响,晶粒尺寸与母材接近。对焊缝表面和截面进行显微硬度测试,表面硬度呈“W”型分布,焊核区硬度值最高为136HV,约为母材硬度的97%,两侧热影响区的硬度值较低,硬度最低出现在前进侧热影响区为115HV,为母材硬度的84%,热力影响区的硬度最高为130HV,能够达到母材硬度的95%,这是因为热力影响区即受到焊接热循环又受到剪切力影响,与热影响区相比,晶粒得到了一定程度的细化,因此硬度要高于热影响区;焊缝截面硬度呈“V”型分布,焊缝底部直接跟垫板接触,冷却速度快,又远离焊接热源,因此焊缝底部的晶粒比上层晶粒更加细小,硬度相对更大,而中部晶粒有大有小,组织疏松,硬度最低。对焊接接头进行拉伸试验,拉伸断裂位置全部在两侧热影响区,断裂在前进侧热影响区时抗拉强度最低为453MPa,是母材抗拉强度的88%,这是由于前进侧热影响区在焊接过程中受到的热循环较大,组织发生软化的同时发生了沉淀相的长大与偏聚,更易发生断裂。对拉伸断口进行观察,既存在准解理形貌的脆性断裂特征,也有韧窝形貌的韧性断裂特征。对接头进行疲劳实验,不同应力水平下断裂位置分别位于前进侧热影响区、焊核区和母材区,疲劳寿命分别为10×10~5,8.5×10~5和6.9×10~5。热影响区的断口,韧窝分布密集,断裂方式为韧性断裂;焊核区的断口较为平整,韧窝较小,能够观察到直径较大的第二相颗粒,断裂方式为韧性断裂;母材的断口最为平整,这与应力水平过高有一定关系,能够从断口中观察到轮胎花样和疲劳台阶,断裂方式为脆性断裂。激光冲击强化后,焊缝上表面区晶粒更加细小,经SEM形貌观察,焊缝截面出现了空洞,焊缝截面进行硬度测试发现冲击的有效强化层深度为1.5mm,材料表层硬度提升幅度最大为15HV;对冲击前后疲劳断口进行对比发现断口形貌变化不大,但韧窝分布更密集,直径更大,这与疲劳寿命测定结果保持一致,断裂方式仍为韧性断裂;冲击后材料中存在的残余拉应力变为残余压应力,能有效降低疲劳裂纹的萌生,抑制疲劳裂纹的扩展速度,从而延长接头的疲劳使用寿命。
【图文】：
图 1.1 高强铝合金材料的应用铝合金在广泛应用的同时也对其焊接技术提出了更为严格的要求，铝合金的金属性强，采用传统的焊接方法进行焊接时，温度较高，容易在表面产生氧化膜；铝合热性好，焊接时容易发生不熔合现象，，产生焊接热裂纹。而搅拌摩擦焊作为一种较
搅拌摩擦焊工作原理图
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9;TG665
【参考文献】
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本文编号：
2609603
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