6000系铝合金双面/双轴肩搅拌摩擦焊接接头组织与性能研究
发布时间：2021-10-22 02:50
搅拌摩擦焊接（Friction stir welding,FSW）作为一项新兴的固相连接工艺在铝合金薄板及中厚板焊接方面表现优异且已实现多项成功应用,使得其近年来在铝合金厚板和中空型材的焊接中备受期待。一方面,厚板FSW与薄板及中厚板FSW存在很大不同,其在温度场和材料流变上均存在极大不均匀性,通常双面FSW（Double-side FSW,DS-FSW）可有效解决以上问题。然而,目前关于厚板FSW的研究仍然不够深入,其中温度场分布及材料流变对微观组织演变的影响机理仍不明晰,缺少微观组织演变与力学性能之间具体关系的建立。另一方面,中空型材的焊接无法采用常规FSW（Conventional FSW,C-FSW）进行,双轴肩FSW（Bobbin tool FSW,BT-FSW）的出现解决了中空型材的焊接问题,并可避免C-FSW中底部缺陷的产生。尽管BT-FSW已有较多研究,但仍然缺少与C-FSW本质差异的揭示以及微观组织的优化调控。本文围绕上述两个方向展开研究。一、针对厚板FSW的现状与问题,采用DS-FSW对80 mm 6082Al超厚板进行对接焊接,分析了焊接工艺对接头局部区域和整体微...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１搅拌摩擦焊接原理示意图??
?第１章绪论???速焊接以实现组织性能的调控，较单轴驱动更为灵活高效［１２＿１４］。单轴驱动分步??ＤＳ－ＦＳＷ焊接参数设定过程与常规ＦＳＷ相同，而厚板的焊接通常在低转速??（３００￣６００?ｒｐｍ）与低焊速（５０？２００?ｍｍ／ｍｉｎ）下进行焊接。双轴驱动ＤＳ－ＦＳＷ??可根据焊接需求对上下焊接工具的旋向、焊接转速和焊速分别进行设定。??（ａ）?分步焊接?ｉ（ｂ＞?双轴驱动??Ｈｆｔｒ??图１．２双面焊接示意图：（ａ）单向驱动分步焊接［１］，?（ｂ）双向驱动［３’１１］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＳ－ＦＳＷ：?（ａ）?Ｗｅｌｄｉｎｇ?ｉｎ?ｓｅｑｕｅｎｃｅ?ｆｏｒ?ｓｉｎｇｌｅ－ｄｒｉｖｅ，?（ｂ）?Ｄｕａｌ－ｄｒｉｖｅ??ＤＳ－ＦＳＷ??１．２．２．２双轴肩搅拌摩擦焊??双轴肩搅拌摩擦焊（ＢＴ－ＦＳＷ），最早同样由英国焊接研究所（ＴＷＩ）提出??［１５，１６］，也称自适应搅拌摩擦焊（Ｓｅｌｆ－ｒｅａｃｔｉｎｇ?ＦＳＷ）或自支撑搅拌摩擦焊??（Ｓｅｌｆ－ｓｕｐｐｏｒｔ?ＦＳＷ）。所用工具是在传统ＦＳＷ工具基础上做出改进设计，通过??搅拌针连接上下两个轴肩，焊接时高速旋转的工具以零倾角横向进入待焊板材，??上轴肩位于板材上方，下轴肩位于板材下方充当垫板支撑作用，上、下轴肩同时??接触并挤压待焊板材产生摩擦热使材料软化，软化的材料在上、下轴肩包裹下形??成“密闭空间”同时发生剧烈塑性变形而形成焊缝，其焊接过程及原理如图１．３??所示。??５??
?第１章绪论???Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ??Ｕｐｐｅｒ?ｓｈ＾ｌｅｒｊ?｜?／／??Ｌｏｗｅｒ?ｓｈｏｕｌｄｅｒ??图１．３双轴肩ＦＳＷ过程及焊接原理示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＢＴ－ＦＳＷ??与常规ＦＳＷ相比，ＢＴ－ＦＳＷ具有诸多特点与优势［２，１７］：下部轴肩的添加使??得ＢＴ－ＦＳＷ不需要底部垫板，对工装装夹和设备刚度要求低；可实现中空结构??的焊接；下部轴肩的添加消除了底部缺陷的风险；上下轴肩共同作用使得板材变??形更加均匀，残余变形小；上下轴肩的共同作用使得沿板材厚度方向温度分布更??加均匀，使得沿厚度方向微观组织更为均匀。??由于ＢＴ－ＦＳＷ焊接过程无倾角，工具横向垂直板材进入，导致工具承受较??大的横向力矩，因而，对工具强度刚度有很高要求。为解决这一问题，通常有两??种方式：第一种是在待焊板材端部预制适当尺寸的通孔，焊接前可将工具预先置??于通孔中，避免工具在焊接初始阶段进入板材时承受巨大的横向力矩；第二种是??逐步提高焊速的方法，焊接时初始设定较低的焊接速度使工具低速进入材料，待??材料摩擦产热发生软化后再逐步提高焊速到稳定值［４，１８］。因此，焊接工具和焊接??参数是影响ＢＴ－ＦＳＷ焊接成型质量的关键因素。??目前，双轴肩工具可分为固定间隙式与可调间隙式两种［｜８，１９］，其中又包含??浮动式双轴肩工具。其中固定间隙式即两轴肩之间的距离（搅拌针长）是不可调??节的，而可调间隙式即两轴肩之间的间隙（搅拌针长）可实现一定距离的调节以??适应板材细微的厚度差。固定间隙式工具可焊接的板材厚度范围非常有限，由于??焊接时间隙距离要略小于待焊板材厚度以使上、下
【参考文献】：
期刊论文
[1]6082铝合金超厚板搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 宫文彪,朱芮,郄新哲,崔恒,宫明月. 吉林大学学报(工学版). 2020(02)
[2]Research Progress of Bobbin Tool Friction Stir Welding of Aluminum Alloys:A Review[J]. Guo-Qing Wang,Yan-Hua Zhao,Ying-Ying Tang. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2020(01)
[3]异种搅拌摩擦焊Incoloy 825镍基超合金和2507超级双相不锈钢的显微组织和力学性能（英文）[J]. Jalal KANGAZIAN,Morteza SHAMANIAN. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[4]Microstructural evolution of aluminum alloy during friction stir welding under different tool rotation rates and cooling conditions[J]. X.H.Zeng,P.Xue,L.H.Wu,D.R.Ni,B.L.Xiao,K.S.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[5]Ti-6Al-4V合金水下搅拌摩擦焊接头的低温与高应变速率超塑性（英文）[J]. 吴利辉,张昊,曾祥浩,薛鹏,肖伯律,马宗义. Science China Materials. 2018(03)
[6]Fabrication of large-bulk ultrafine grained 6061 aluminum alloy by rolling and low-heat-input friction stir welding[J]. C.Y.Liu,B.Qu,P.Xue,Z.Y.Ma,K.Luo,M.Z.Ma,R.P.Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[7]Friction stir welding of high-strength aerospace aluminum alloy and application in rocket tank manufacturing[J]. Guoqing Wang,Yanhua Zhao,Yunfei Hao. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[8]Friction stir based welding and processing technologies-processes,parameters,microstructures and applications:A review[J]. G.K.Padhy,C.S.Wu,S.Gao. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[9]超细晶纯铜的本征高周疲劳行为研究（英文）[J]. 薛鹏,黄治冶,王贝贝,田艳中,王文广,肖伯律,马宗义. Science China Materials. 2016(07)
[10]Mechanical Properties and Microstructure of 6082-T6 Aluminum Alloy Joints by Self-support Friction Stir Welding[J]. Long Wan,Yongxian Huang,Weiqiang Guo,Shixiong Lv,Jicai Feng. Journal of Materials Science & Technology. 2014(12)
本文编号：3450234
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：135 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１搅拌摩擦焊接原理示意图??
?第１章绪论???速焊接以实现组织性能的调控，较单轴驱动更为灵活高效［１２＿１４］。单轴驱动分步??ＤＳ－ＦＳＷ焊接参数设定过程与常规ＦＳＷ相同，而厚板的焊接通常在低转速??（３００￣６００?ｒｐｍ）与低焊速（５０？２００?ｍｍ／ｍｉｎ）下进行焊接。双轴驱动ＤＳ－ＦＳＷ??可根据焊接需求对上下焊接工具的旋向、焊接转速和焊速分别进行设定。??（ａ）?分步焊接?ｉ（ｂ＞?双轴驱动??Ｈｆｔｒ??图１．２双面焊接示意图：（ａ）单向驱动分步焊接［１］，?（ｂ）双向驱动［３’１１］??Ｆｉｇ．?１．２?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＤＳ－ＦＳＷ：?（ａ）?Ｗｅｌｄｉｎｇ?ｉｎ?ｓｅｑｕｅｎｃｅ?ｆｏｒ?ｓｉｎｇｌｅ－ｄｒｉｖｅ，?（ｂ）?Ｄｕａｌ－ｄｒｉｖｅ??ＤＳ－ＦＳＷ??１．２．２．２双轴肩搅拌摩擦焊??双轴肩搅拌摩擦焊（ＢＴ－ＦＳＷ），最早同样由英国焊接研究所（ＴＷＩ）提出??［１５，１６］，也称自适应搅拌摩擦焊（Ｓｅｌｆ－ｒｅａｃｔｉｎｇ?ＦＳＷ）或自支撑搅拌摩擦焊??（Ｓｅｌｆ－ｓｕｐｐｏｒｔ?ＦＳＷ）。所用工具是在传统ＦＳＷ工具基础上做出改进设计，通过??搅拌针连接上下两个轴肩，焊接时高速旋转的工具以零倾角横向进入待焊板材，??上轴肩位于板材上方，下轴肩位于板材下方充当垫板支撑作用，上、下轴肩同时??接触并挤压待焊板材产生摩擦热使材料软化，软化的材料在上、下轴肩包裹下形??成“密闭空间”同时发生剧烈塑性变形而形成焊缝，其焊接过程及原理如图１．３??所示。??５??
?第１章绪论???Ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ??Ｕｐｐｅｒ?ｓｈ＾ｌｅｒｊ?｜?／／??Ｌｏｗｅｒ?ｓｈｏｕｌｄｅｒ??图１．３双轴肩ＦＳＷ过程及焊接原理示意图??Ｆｉｇ．?１．３?Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ＢＴ－ＦＳＷ??与常规ＦＳＷ相比，ＢＴ－ＦＳＷ具有诸多特点与优势［２，１７］：下部轴肩的添加使??得ＢＴ－ＦＳＷ不需要底部垫板，对工装装夹和设备刚度要求低；可实现中空结构??的焊接；下部轴肩的添加消除了底部缺陷的风险；上下轴肩共同作用使得板材变??形更加均匀，残余变形小；上下轴肩的共同作用使得沿板材厚度方向温度分布更??加均匀，使得沿厚度方向微观组织更为均匀。??由于ＢＴ－ＦＳＷ焊接过程无倾角，工具横向垂直板材进入，导致工具承受较??大的横向力矩，因而，对工具强度刚度有很高要求。为解决这一问题，通常有两??种方式：第一种是在待焊板材端部预制适当尺寸的通孔，焊接前可将工具预先置??于通孔中，避免工具在焊接初始阶段进入板材时承受巨大的横向力矩；第二种是??逐步提高焊速的方法，焊接时初始设定较低的焊接速度使工具低速进入材料，待??材料摩擦产热发生软化后再逐步提高焊速到稳定值［４，１８］。因此，焊接工具和焊接??参数是影响ＢＴ－ＦＳＷ焊接成型质量的关键因素。??目前，双轴肩工具可分为固定间隙式与可调间隙式两种［｜８，１９］，其中又包含??浮动式双轴肩工具。其中固定间隙式即两轴肩之间的距离（搅拌针长）是不可调??节的，而可调间隙式即两轴肩之间的间隙（搅拌针长）可实现一定距离的调节以??适应板材细微的厚度差。固定间隙式工具可焊接的板材厚度范围非常有限，由于??焊接时间隙距离要略小于待焊板材厚度以使上、下
【参考文献】：
期刊论文
[1]6082铝合金超厚板搅拌摩擦焊接头组织与性能[J]. 宫文彪,朱芮,郄新哲,崔恒,宫明月. 吉林大学学报(工学版). 2020(02)
[2]Research Progress of Bobbin Tool Friction Stir Welding of Aluminum Alloys:A Review[J]. Guo-Qing Wang,Yan-Hua Zhao,Ying-Ying Tang. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2020(01)
[3]异种搅拌摩擦焊Incoloy 825镍基超合金和2507超级双相不锈钢的显微组织和力学性能（英文）[J]. Jalal KANGAZIAN,Morteza SHAMANIAN. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019(08)
[4]Microstructural evolution of aluminum alloy during friction stir welding under different tool rotation rates and cooling conditions[J]. X.H.Zeng,P.Xue,L.H.Wu,D.R.Ni,B.L.Xiao,K.S.Wang,Z.Y.Ma. Journal of Materials Science & Technology. 2019(06)
[5]Ti-6Al-4V合金水下搅拌摩擦焊接头的低温与高应变速率超塑性（英文）[J]. 吴利辉,张昊,曾祥浩,薛鹏,肖伯律,马宗义. Science China Materials. 2018(03)
[6]Fabrication of large-bulk ultrafine grained 6061 aluminum alloy by rolling and low-heat-input friction stir welding[J]. C.Y.Liu,B.Qu,P.Xue,Z.Y.Ma,K.Luo,M.Z.Ma,R.P.Liu. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[7]Friction stir welding of high-strength aerospace aluminum alloy and application in rocket tank manufacturing[J]. Guoqing Wang,Yanhua Zhao,Yunfei Hao. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[8]Friction stir based welding and processing technologies-processes,parameters,microstructures and applications:A review[J]. G.K.Padhy,C.S.Wu,S.Gao. Journal of Materials Science & Technology. 2018(01)
[9]超细晶纯铜的本征高周疲劳行为研究（英文）[J]. 薛鹏,黄治冶,王贝贝,田艳中,王文广,肖伯律,马宗义. Science China Materials. 2016(07)
[10]Mechanical Properties and Microstructure of 6082-T6 Aluminum Alloy Joints by Self-support Friction Stir Welding[J]. Long Wan,Yongxian Huang,Weiqiang Guo,Shixiong Lv,Jicai Feng. Journal of Materials Science & Technology. 2014(12)
本文编号：3450234
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