2A14铝合金小轴肩FSW接头组织与力学性能研究
发布时间：2021-08-18 02:47
作为一种固相焊接方法,搅拌摩擦焊为解决轻合金焊接提供一种新的思路。但搅拌摩擦焊要求被焊材料必须刚性固定,且对焊接设备刚度有较高要求。特别是在焊接高强铝合金厚板时,设备刚性不足可能导致焊接过程稳定性差、焊缝根部出现未焊合缺陷等问题。针对以上问题,本文提出了小轴肩搅拌摩擦焊,即通过减小搅拌针及轴肩尺寸,降低焊接过程中焊具承受载荷,从而减小对焊接设备的刚度要求,实现高强铝合金厚板的焊接。本文以9mm厚2A14-T4铝合金为试验材料,综合考虑焊接过程中的热输入及材料流动等因素,提出周向铣三平面搅拌针拓扑结构以及小尺寸内凹轴肩的焊具结构,并设计了Ⅰ型、Ⅱ型两种不同尺寸的焊具。对稳定焊接过程中焊具承载的特点进行分析并计算了搅拌针根部载荷,分析结果表明搅拌针根部的最大正应力为133 MPa,最大剪应力为35 MPa。模拟了不同过渡圆角半径条件下的焊具应力分布状态,结果表明焊具最大载荷出现在搅拌针与轴肩过渡界面处,增大过渡圆角能够使焊具承受的载荷分布更加均匀,并据此优化了焊具结构。使用不同尺寸的焊具进行了焊接试验,结果表明Ⅱ型焊具的焊接质量更为优异。探究了焊接参数对材料成形、微观组织、力学性能的影响。...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
搅拌摩擦焊示意图[16]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-输入，对2.5mm，7.5mm的2219铝合金接头成型的影响，其结果如下图1-2所示，其中厚板飞边缺陷一般呈现鱼鳞状，而薄板呈现褶皱状。试验表明在400rpm，0.2mm压深，50mm/min焊速条件下，焊接热输入过大，过渡软化的材料从后退侧脱离焊缝并形成飞边；当焊速提高到100mm/min时，能够获得无缺陷的焊缝。(a)(b)图1-2焊缝表面飞边缺陷[27](a)2.5mm板接头的褶皱状飞边；(b)7.5mm板接头的鱼鳞状飞边（2）孔洞缺陷孔洞缺陷是指焊缝内部材料流动不充分，不能完全填充由搅拌针划过所留下的未闭合的空腔，这类缺陷通常出现在表面或焊缝的前进侧。Ramulu等人[28]采用12mm、15mm和18mm三种轴肩直径的焊具，通过改变不同的压入深度、焊具转速和焊接速度，探究热输入对焊接缺陷的影响，分析认为对于2.1mm厚6061铝合金，1.8mm压入深度，1100rpm转速，90mm/min焊接速度条件下焊接热输入不足，从而出现明显的孔洞缺陷，当压入深度提高到1.9mm时，孔洞缺陷消失。（3）未焊合缺陷未焊合缺陷是指在焊接接头底部出现的“裂痕状”缺陷，受到焊具尺寸，焊接参数，焊接底部散热状态以及对接接头间隙等因素的影响。其本质的原因在于搅拌针长度不足，对于厚板铝合金而言，焊缝底部热输入较低，材料受到的搅动力较低，原始界面处的氧化物不能被完全打碎，使得界面两侧的金属不能在微观上实现完全的冶金结合，从而出现弱连接[28-30]。Zhou等人[31]对底部未焊合与2024铝合金接头的疲劳性能的相互联系进行了研究，分析表明，底部未焊合的存在使得接头疲劳寿命相较无缺陷接头减少33-80倍，经历2×106次循环后，底部未焊合缺陷使得焊接接头疲劳强度减少54.7%。戴启雷等人[32]探究了焊接速度对FSW接头根部缺陷的影响，如图1-3所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-(a)(b)(c)(d)(e)图1-3不同焊接速度下接头的未焊合缺陷[32](a)50mm/min；(b)100mm/min；(c)200mm/min；(d)400mm/min；(e)600mm/min特别对于厚板焊接而言，工艺窗口一般相对较窄，焊接接头上部和底部热输入差异较大，材料流动形式明显不同，相对薄板而言，获得无缺陷接头的要求更为苛刻。因此需要通过设计合理的焊具形式，采用相互匹配的焊接工艺参数，从而调节焊接过程的热输入量，进而实现成形良好、无缺陷的优质接头。1.2.2微观组织研究如图1-4所示，FSW接头材料由于焊接过程中热输入和塑性变形量的不同，一般被分为四个区域，即焊核区（WeldNuggetZone）、热机影响区（Thermo-mechanicallyAffectedZone）、热影响区（HeatAffectedZone）以及母材区（Basematerial）[16,33]。对搅拌摩擦焊接接头微观组织的研究主要集中在晶粒结构和沉淀相分布两个方面。图1-4铝合金FSW接头典型横截面及区域划分[16]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and mechanical properties of double-side friction stir welded 6082Al ultra-thick plates[J]. C.Yang,J.F.Zhang,G.N.Ma,L.H.Wu,X.M.Zhang,G.Z.He,P.Xue,D.R.Ni,B.L.Xiao,K.S.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2020(06)
[2]厚板铝合金搅拌摩擦焊接头的冲击性能[J]. 张忠科,张剑飞,于洋,王希靖. 材料导报. 2018(22)
[3]7075-T6铝合金厚板FSW焊缝沿厚度方向上的显微组织演变规律[J]. 毛育青,江周明,刘奋成,柯黎明. 航空学报. 2019(05)
[4]搅拌摩擦焊在运载火箭贮箱制造中的应用与发展[J]. 宋建岭,李超. 焊接. 2018(05)
[5]2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析[J]. 马核,田志杰,熊林玉,颜旭,曹学敏,张彦华. 航空制造技术. 2018(08)
[6]厚板搅拌摩擦焊接头的组织与性能[J]. 张忠科,张剑飞,廖蕴博,胥春龙,于洋. 兰州理工大学学报. 2018(01)
[7]搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟[J]. 武传松,宿浩,石磊. 金属学报. 2018(02)
[8]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)
[9]随焊超声冲击对2A14铝合金TIG焊接接头显微组织和力学性能的影响[J]. 陈琪昊,林三宝,杨春利,范成磊,曲宏韬. 中国有色金属学报. 2016(10)
[10]Impact of Friction Stir Welding （FSW） Process Parameters on Thermal Modeling and Heat Generation of Aluminum Alloy Joints[J]. Saad B.Aziz,Mohammad W.Dewan,Daniel J.Huggett,Muhammad A.Wahab,Ayman M.Okeil,T.Warren Liao. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(09)
博士论文
[1]搅拌摩擦焊接与加工AZ31镁合金的组织、织构和力学性能研究[D]. 商乔.中国科学技术大学 2019
[2]铝合金厚板搅拌摩擦焊缝金属流动行为研究[D]. 毛育青.西北工业大学 2017
[3]Al-Li合金双轴肩搅拌摩擦焊成形机制及性能研究[D]. 王非凡.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]基于垫板/凹槽设计铝合金FSW接头完整性及力学性能研究[D]. 郭超.南京航空航天大学 2019
[2]6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能研究[D]. 张保海.山东大学 2017
[3]铝合金厚板搅拌摩擦焊的工艺研究[D]. 王鹏飞.江苏科技大学 2016
[4]高强铝合金搅拌摩擦焊焊接机理及工艺研究[D]. 张施楠.南京理工大学 2012
[5]LD10CS铝合金搅拌摩擦焊接技术研究[D]. 李远星.哈尔滨工业大学 2007
[6]2219铝合金搅拌摩擦焊接缺陷及接头力学性能研究[D]. 潘庆.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3349030
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
搅拌摩擦焊示意图[16]
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-3-输入，对2.5mm，7.5mm的2219铝合金接头成型的影响，其结果如下图1-2所示，其中厚板飞边缺陷一般呈现鱼鳞状，而薄板呈现褶皱状。试验表明在400rpm，0.2mm压深，50mm/min焊速条件下，焊接热输入过大，过渡软化的材料从后退侧脱离焊缝并形成飞边；当焊速提高到100mm/min时，能够获得无缺陷的焊缝。(a)(b)图1-2焊缝表面飞边缺陷[27](a)2.5mm板接头的褶皱状飞边；(b)7.5mm板接头的鱼鳞状飞边（2）孔洞缺陷孔洞缺陷是指焊缝内部材料流动不充分，不能完全填充由搅拌针划过所留下的未闭合的空腔，这类缺陷通常出现在表面或焊缝的前进侧。Ramulu等人[28]采用12mm、15mm和18mm三种轴肩直径的焊具，通过改变不同的压入深度、焊具转速和焊接速度，探究热输入对焊接缺陷的影响，分析认为对于2.1mm厚6061铝合金，1.8mm压入深度，1100rpm转速，90mm/min焊接速度条件下焊接热输入不足，从而出现明显的孔洞缺陷，当压入深度提高到1.9mm时，孔洞缺陷消失。（3）未焊合缺陷未焊合缺陷是指在焊接接头底部出现的“裂痕状”缺陷，受到焊具尺寸，焊接参数，焊接底部散热状态以及对接接头间隙等因素的影响。其本质的原因在于搅拌针长度不足，对于厚板铝合金而言，焊缝底部热输入较低，材料受到的搅动力较低，原始界面处的氧化物不能被完全打碎，使得界面两侧的金属不能在微观上实现完全的冶金结合，从而出现弱连接[28-30]。Zhou等人[31]对底部未焊合与2024铝合金接头的疲劳性能的相互联系进行了研究，分析表明，底部未焊合的存在使得接头疲劳寿命相较无缺陷接头减少33-80倍，经历2×106次循环后，底部未焊合缺陷使得焊接接头疲劳强度减少54.7%。戴启雷等人[32]探究了焊接速度对FSW接头根部缺陷的影响，如图1-3所示。
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-4-(a)(b)(c)(d)(e)图1-3不同焊接速度下接头的未焊合缺陷[32](a)50mm/min；(b)100mm/min；(c)200mm/min；(d)400mm/min；(e)600mm/min特别对于厚板焊接而言，工艺窗口一般相对较窄，焊接接头上部和底部热输入差异较大，材料流动形式明显不同，相对薄板而言，获得无缺陷接头的要求更为苛刻。因此需要通过设计合理的焊具形式，采用相互匹配的焊接工艺参数，从而调节焊接过程的热输入量，进而实现成形良好、无缺陷的优质接头。1.2.2微观组织研究如图1-4所示，FSW接头材料由于焊接过程中热输入和塑性变形量的不同，一般被分为四个区域，即焊核区（WeldNuggetZone）、热机影响区（Thermo-mechanicallyAffectedZone）、热影响区（HeatAffectedZone）以及母材区（Basematerial）[16,33]。对搅拌摩擦焊接接头微观组织的研究主要集中在晶粒结构和沉淀相分布两个方面。图1-4铝合金FSW接头典型横截面及区域划分[16]
【参考文献】：
期刊论文
[1]Microstructure and mechanical properties of double-side friction stir welded 6082Al ultra-thick plates[J]. C.Yang,J.F.Zhang,G.N.Ma,L.H.Wu,X.M.Zhang,G.Z.He,P.Xue,D.R.Ni,B.L.Xiao,K.S.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2020(06)
[2]厚板铝合金搅拌摩擦焊接头的冲击性能[J]. 张忠科,张剑飞,于洋,王希靖. 材料导报. 2018(22)
[3]7075-T6铝合金厚板FSW焊缝沿厚度方向上的显微组织演变规律[J]. 毛育青,江周明,刘奋成,柯黎明. 航空学报. 2019(05)
[4]搅拌摩擦焊在运载火箭贮箱制造中的应用与发展[J]. 宋建岭,李超. 焊接. 2018(05)
[5]2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析[J]. 马核,田志杰,熊林玉,颜旭,曹学敏,张彦华. 航空制造技术. 2018(08)
[6]厚板搅拌摩擦焊接头的组织与性能[J]. 张忠科,张剑飞,廖蕴博,胥春龙,于洋. 兰州理工大学学报. 2018(01)
[7]搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟[J]. 武传松,宿浩,石磊. 金属学报. 2018(02)
[8]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)
[9]随焊超声冲击对2A14铝合金TIG焊接接头显微组织和力学性能的影响[J]. 陈琪昊,林三宝,杨春利,范成磊,曲宏韬. 中国有色金属学报. 2016(10)
[10]Impact of Friction Stir Welding （FSW） Process Parameters on Thermal Modeling and Heat Generation of Aluminum Alloy Joints[J]. Saad B.Aziz,Mohammad W.Dewan,Daniel J.Huggett,Muhammad A.Wahab,Ayman M.Okeil,T.Warren Liao. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2016(09)
博士论文
[1]搅拌摩擦焊接与加工AZ31镁合金的组织、织构和力学性能研究[D]. 商乔.中国科学技术大学 2019
[2]铝合金厚板搅拌摩擦焊缝金属流动行为研究[D]. 毛育青.西北工业大学 2017
[3]Al-Li合金双轴肩搅拌摩擦焊成形机制及性能研究[D]. 王非凡.西北工业大学 2016
硕士论文
[1]基于垫板/凹槽设计铝合金FSW接头完整性及力学性能研究[D]. 郭超.南京航空航天大学 2019
[2]6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能研究[D]. 张保海.山东大学 2017
[3]铝合金厚板搅拌摩擦焊的工艺研究[D]. 王鹏飞.江苏科技大学 2016
[4]高强铝合金搅拌摩擦焊焊接机理及工艺研究[D]. 张施楠.南京理工大学 2012
[5]LD10CS铝合金搅拌摩擦焊接技术研究[D]. 李远星.哈尔滨工业大学 2007
[6]2219铝合金搅拌摩擦焊接缺陷及接头力学性能研究[D]. 潘庆.哈尔滨工业大学 2007
本文编号：3349030
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