铝合金的搅拌摩擦焊接研究

发布时间：2017-08-08 14:37

  本文关键词：铝合金的搅拌摩擦焊接研究

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【摘要】：传统的熔焊方法在焊接铝合金时易出现气孔、热裂纹等焊接缺陷,而铝钢两种金属由于热物理性质上存在的差异,且接头易出现硬脆的金属间化合物等,增加了二者焊接的难度。搅拌摩擦焊技术作为一种固相连接技术,焊接过程中产生的热量并没有达到金属的熔点,仅使被焊金属达到塑性状态,因此成为解决同种铝合金、铝钢异种金属的焊接性问题的有效方法。首先对4mm厚的7075铝合金进行了对接试验,在一定的焊接参数范围内均得到了外观成型良好、力学性能较高的焊接接头。接头最高抗拉强度可达母材80%。采用多种测试方法研究了焊接接头的宏微观组织与形貌、焊接参数对接头力学性能及硬度分布的影响规律等。对钢和铝异种金属进行了搭接试验,包括2mm铝板与2mm钢板的搭接以及3mm铝板与1mm钢板的搭接,结果表明:接头界面区两侧的钢被搅入铝合金后发生弯曲,呈现“弯钩状”。整个连接界面区域连续分布着钢颗粒夹杂物、叠层组织及金属间化合物层,这些成为影响接头质量的重要因素。对接头的界面处进行XRD分析,验证了金属间化合物AlFe、AlFe3的存在。接头拉剪测试的断裂位置有三种:热影响区、结合界面处及钢板母材。断口SEM分析显示热影响区断裂为韧性断裂,结合界面处为脆性断裂。界面处中心硬度值能达到340HV,且波动剧烈,与硬脆的金属间化合物有关。基于粘着摩擦理论,建立了4mm厚7075铝合金FSW过程中的产热模型,对同种铝合金对接焊中的温度场进行了数值模拟,并得出了焊接过程中温度场的分布规律:高温区位于轴肩的正下方焊核区,且在沿焊缝方向的横截面上整体呈现“碗状”。搅拌头前方的温度梯度比后方的温度梯度大,高温区相对于后方也较窄。对于所有焊接参数下的温度峰值均未超过母材熔化点,表明搅拌摩擦焊接过程一直处于固相连接状态。旋转速度与焊接速度对峰值温度有一定的影响。
【关键词】：搅拌摩擦焊 铝合金 铝钢异种金属连接 数值模拟
【学位授予单位】：南昌大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.14
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-9
• 第1章 绪论9-17
• 1.1 搅拌摩擦焊接的原理、特点及应用发展9-11
• 1.1.1 搅拌摩擦焊的基本原理及特点9-10
• 1.1.2 搅拌摩擦焊的应用10-11
• 1.1.3 搅拌摩擦焊新技术的发展11
• 1.2 钢和铝焊接的研究现状11-14
• 1.2.1 钢和铝的可焊性分析11-13
• 1.2.2 钢和铝的焊接方法的研究现状13-14
• 1.3 搅拌摩擦焊接钢和铝的国内外研究现状14-15
• 1.4 搅拌摩擦焊的数值模拟的研究现状15-16
• 1.5 本文研究的主要内容16-17
• 第2章 试验材料及方法17-23
• 2.1 试验材料17
• 2.2 试验设备17-19
• 2.3 试验方法19-20
• 2.3.1 试验材料的预处理19-20
• 2.3.2 焊接参数20
• 2.4 试样测试分析方法20-23
• 2.4.1 接头显微组织分析20-21
• 2.4.2 焊缝界面物相分析21
• 2.4.3 接头的力学性能测试21
• 2.4.4 焊缝横截面显微硬度测试21-23
• 第3章 同种铝合金对接试验结果及分析23-31
• 3.1 焊接参数对焊缝外观形貌的影响23-24
• 3.2 接头横截面的宏微观组织分析24-26
• 3.2.1 接头横截面的宏观形貌24
• 3.2.2 接头微观组织24-26
• 3.3 接头力学性能分析26-28
• 3.4 接头显微硬度分析28-29
• 3.5 本章小结29-31
• 第4章 钢-铝异种金属搭接试验结果及分析31-48
• 4.1 焊接参数对焊缝外观形貌的影响31-33
• 4.2 接头横截面的宏微观组织分析33-35
• 4.2.1 接头横截面的宏观形貌33-34
• 4.2.2 接头横截面的微观组织34-35
• 4.3 界面处的组织及物相分析35-38
• 4.4 接头力学性能分析38-43
• 4.4.1 接头的断裂机理研究39-40
• 4.4.2 工艺参数对接头拉剪强度的影响40-42
• 4.4.3 接头断.形貌分析42-43
• 4.5 接头显微硬度分析43-45
• 4.5.1 上层铝板中心层的显微硬度分布43
• 4.5.2 下层钢板中心层的显微硬度分布43-44
• 4.5.3 铝-钢结合界面处的显微硬度分布44-45
• 4.6 搅拌头磨损45-46
• 4.7 本章小结46-48
• 第5章 搅拌摩擦焊温度场的数值模拟48-64
• 5.1 搅拌摩擦焊的温度场分析基本理论48-49
• 5.1.1 传热学基本理论48
• 5.1.2 热量传递的三种方式48-49
• 5.2 FSW过程的产热模型49-52
• 5.2.1 米塞斯屈服条件50
• 5.2.2 轴肩产热50-51
• 5.2.3 搅拌针产热51-52
• 5.3 温度场模型的建立52-55
• 5.3.1 几何模型的建立52
• 5.3.2 材料属性52-54
• 5.3.3 边界条件54
• 5.3.4 单元的选取及网格划分54-55
• 5.4 7075铝合金FSW温度场模拟结果及分析55-63
• 5.4.1 FSW过程中工件整体的温度分布规律55-57
• 5.4.2 工件沿各方向的温度变化规律57-59
• 5.4.3 旋转速度对工件温度场分布的影响规律59-61
• 5.4.4 焊接速度对工件温度场分布的影响规律61-63
• 5.5 本章小结63-64
• 第6章 结论64-66
• 致谢66-67
• 参考文献67-70
• 攻读学位期间的研究成果70

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 林健;杨上陆;雷永平;;钢/铝异种材料连接接头的强度及失效模式[J];北京工业大学学报;2014年03期

2 张贵锋;苏伟;韦中新;郭文亮;张建勋;;搅拌摩擦钎焊制备铝/钢防腐双金属复合板新技术[J];焊管;2010年03期

3 龙江启;兰凤崇;陈吉清;;车身轻量化与钢铝一体化结构新技术的研究进展[J];机械工程学报;2008年06期

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1 李成重;7075铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟研究[D];南昌航空大学;2012年

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本文编号：640524