铝合金搅拌摩擦焊接头热机影响区强化研究

发布时间：2020-09-19 11:24

　　本文对5 mm厚铝合金7050板材进行搅拌摩擦对接焊,在优化后接头上分别进行表面喷丸和表面滚动轧制强化试验,并结合组织、静态拉伸弯曲、显微硬度、疲劳寿命及电化学腐蚀等试验进行对比研究,探究两种强化方法对热机影响区及整个接头的影响。(1)经过对7050铝合金FSW接头优化,选择焊接优化工艺参数即旋转速度800 r/min、焊接速度100 mm/min,该参数下接头综合力学性能较好,平均抗拉强度大于母材强度的81%。对优化接头表面完整性进行了探究,发现前进侧和后退侧组织和性能存在一定差异,前进侧表面组织过渡梯度较大,后退侧表面组织过渡均匀,且两侧都分布不溶杂质相Al_7Cu_2Fe和Al_7Cu_5Fe团聚物。前进侧残余拉应力大于后退侧,抗腐蚀性能也较差,硬度向焊核区过渡梯度较大,最低值为93HV。整个FSW接头高周疲劳平均寿命为3.29×10~5周,疲劳断裂源萌生在接头表面,疲劳断裂在热机影响区的机率较大。(2)在焊接态接头优化基础上,对接头采用不同喷丸时间进行强化。结果表明:喷丸强化接头表面粗糙度整体降低,喷丸时间超过40 min,表面粗糙度增加。对喷丸接头表面进行XRD分析,表面晶粒达到了纳米化,并且在表层形成了一层分明的细化层,次表层变形层分布着一定数量第二相剪切带。随着喷丸时间增加,接头表面硬度分布由焊接态近似“W”形变为锯齿形,大致在120~150 HV,水平方向硬度值趋于均匀化。不同喷丸时间接头抗拉强度相比焊接态接头抗拉强度418.7 MPa增加不超过4%,延伸率下降。最终选取综合性能较好的喷丸30 min接头进行高周疲劳试验,接头疲劳源由焊接态表面转移至次表层100~200μm位置,并呈现多个“鱼眼”状疲劳断裂源,断口扩展区出现“脊椎”状过渡区,同时疲劳断裂于热机影响区的机率降低,接头平均疲劳寿命提高到1.32×10~6周。(3)基于接头喷丸后所引起的表面粗糙度在一定程度上影响了接头疲劳寿命提升空间,本文尝试采用了接头表面滚动轧制方法。结果表明:相比喷丸,不同旋转速度滚动轧制进一步提高接头表面光洁度,表层晶粒达到纳米化,在接头上下表层所形成了类似“Sandwich”结构;同时表层硬度趋于均匀化,大致在160~210 HV;各参数下抗拉强度相比焊接态提升不超过5%,延伸率呈下降趋势。选取综合性能较好的滚动轧制工艺参数即旋转350 r/min、焊接速度50 mm/min,该参数下接头疲劳裂纹源萌生位置由焊接态表面移向次表层约200μm位置,断口扩展区出现较宽的“脊椎”状过渡区,疲劳断裂于热机影响区的机率降低,疲劳平均寿命相比喷丸强化提高了约1.65倍。在以上研究基础上,本试验进一步探究了一定疲劳寿命下接头强化前后疲劳源形成细观过程、强化前后接头表面耐腐蚀性以及抗弯曲性能。探究发现强化表面在接头上所形成的“Sandwich”结构,阻碍或延缓了疲劳裂纹在表面萌生且扩展于TMAZ。在接头内部焊核区与热机影响区产生的疲劳源也存在差异,焊核区为应变集中;而热机影响区疲劳源表现为应力集中,周围晶界分布有连续的S相(Al_2Cu Mg)和不溶杂质相Al_7Cu_2Fe团聚物,这种组态成为断裂发生在热机影响区的内在原因。结合电化学试验对强化前后接头的耐腐蚀性进行对比,表明经过强化后接头的抗腐蚀性能逐步提高,缩小了接头各区域抗腐蚀性能差异,其中滚动轧制强化的接头耐腐蚀性最好。另外通过弯曲试验对比接头表面强化性能,滚动轧制抗弯载荷接近母材,约3.04 k N,但延伸率最低;喷丸粗糙度对其弯曲性能产生一定负面影响,弯曲强度和延伸率均降低。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG453.9

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