第 1 章 緒論

攪拌摩擦焊(簡稱 FSW)，是英國焊接研究所（簡稱TWI）于 1991 年研發(fā)出的一種新型連接技術[3-5]。其原理如圖 1-1 所示，攪拌摩擦焊接過程中，利用攪拌頭上的攪拌針高速旋轉緩慢扎入被焊工件，直至軸肩與工件接觸，攪拌頭與被焊工件之間的摩擦剪切阻力產生的摩擦熱使得軸肩附近的材料達到熱塑性狀態(tài)。隨著攪拌頭旋轉向前移動熱塑性狀態(tài)的金屬材料從攪拌頭的前沿向后沿轉移，并且在軸肩和工件表層摩擦產熱和下壓力共同作用下，形成致密的固相連接接頭。攪拌摩擦焊接過程中材料不發(fā)生熔化，因此不存在熔焊產生的熱裂紋、氣孔等缺陷，并且焊后接頭的變形小，殘余應力低，接頭強度系數高。在有色金屬如鋁、銅、鎂的焊接中得到了廣泛的應用，同時國內外有學者對鋼和鋁的連接也有一定的研究。本文擬采用攪拌摩擦焊進行鋁和鋼搭接的研究，旨在提高鋁/鋼搭接接頭的力學性能。首先利用三個攪拌針長度不同的攪拌頭進行攪拌摩擦焊接試驗，通過對其宏微觀組織特征、接頭界面區(qū)的化合物特征、硬度分布情況，斷口形貌進行分析，將它們與接頭的力學性能聯系起來；進而，分別嘗試攪拌頭的優(yōu)化設計和采用雙道攪拌摩擦焊接工藝，在保證焊縫成形良好、宏微觀組織無缺陷前提下，獲得可靠的鋁/鋼搭接接頭。

第 2 章 試驗材料、設備及方法

2.1 試驗材料
本文采用 3mm 厚的 6082-T6 鋁合金板材和 2mm 厚的 QSTE340TM 熱軋結構鋼薄板進行攪拌摩擦搭接試驗。6082 鋁合金具有中等強度和良好的焊接性能及耐蝕性能，廣泛應用于交通運輸和結構工程行業(yè)。6082 鋁合金為 Al-Mg-Si 系可處理鋁合金，加入 Mg和 Si 主要是為了形成強化相 Mg2Si，，Mg2Si 在 Al 中的固溶度可達 1.95%，隨溫度下降，固溶度顯著減小，經過 T6 淬火后人工時效處理可形成 G.P.區(qū)和過渡相β ", 使合金得到強化，Cu 的加入還可以形成θ （CuAl2）相、S（CuMgAl2）相和 W（Cu4Mg5Si4Al）相，進一步增強時效強化作用，Mg的加入可起固溶強化和增強抗蝕性的作用。其主要化學成分及原始的力學性能參數如表 2-1 所示，微觀組織特征如圖 2.1(a)所示。

2.2 試驗設備
鋁和鋼攪拌摩擦搭接所用的焊具為自主設計的攪拌頭，由夾持區(qū)、內凹軸肩、帶有螺紋的圓柱形攪拌針組成，軸肩呈內凹狀，為了促進材料的流動在攪拌針上刻有右旋螺紋，攪拌頭的形狀尺寸為：軸肩直徑 14mm，攪拌針直徑 6mm，攪拌針長度分別為 2.9mm、3.1mm、3.3mm，如圖 2-3 和表 2-4所示；所采用的材料為 M42 高速鋼，成分為 W2Mo10Cr4Co8，鋼材硬度高，熱處理后可達 70HRC，熱硬性好，具有很強的耐磨、抗沖擊性能，適合制造各種切削及加工工具。對于鋁和鋼的攪拌摩擦搭接，由于下部鋼板熔點高，硬度較大，因此 M42 模具鋼適合焊接鋁/鋼的搭接。

第 3 章 鋁/鋼 FSW 搭接接頭性能及組織特征分析..........................17

3.1 引言 ........................... 17

3.2 焊縫成形 ........................... 17

第 4 章 雙道焊對鋁/鋼 FSW 搭接接頭性能及組織特征的影響....................38

4.1 引言 ........................ 38

4.2 焊縫成形 .............38

第 5 章 新型攪拌頭對鋁/鋼 FSW 搭接接頭適應性分析 ...............................46

5.1 引言 .......................... 46

5.2 焊縫成形 ........................ 46

第 5 章 新型攪拌頭對鋁/鋼 FSW 搭接的適應性分析

5.1 引言
鋁和鋼搭接攪拌摩擦焊接頭力學性能取決于界面區(qū)的結合面積及化合物的種類厚度。本章在以上對攪拌針長度對鋁/鋼搭接 FSW 接頭組織性能分析的基礎上，對攪拌頭的形狀及其尺寸進行了優(yōu)化設計，分析其對鋁/鋼攪拌摩擦焊搭接接頭及界面特征的影響。

5.2 焊縫成形
在第三章的基礎上設計了新的攪拌頭,將柱狀的攪拌針改成啞鈴狀，其設計圖及實物圖如圖 5-1 所示，加工和熱處理之后進行焊接，攪拌頭材料及形狀尺寸如表 5-1 所示。焊接參數為：轉速 1000r/min，焊速 100mm/min，傾角2.5°，軸肩下壓量 0.2mm。焊后表面成形如圖 5-2 所示。圖 5-2 所示為焊后焊縫表面的宏觀形貌，其與第三章中得到的焊縫宏觀形貌基本相同，焊縫表面成型美觀，無溝槽等缺陷，魚鱗紋清晰均勻，焊縫的飛邊也較少，這可能是由于材料的熱輸入量較大，6082-T6 鋁合金材料的流動性好所致，焊縫中心被攪起的材料黏在了焊縫的前進側。鋁/鋼 FSW 搭接接頭的宏觀形貌特征如圖 5-3 所示，由于在焊接過程中，焊縫各部分金屬經歷了不同的熱循環(huán)和塑性變形，接頭不同區(qū)域宏觀形貌有所不同，接頭由焊核區(qū)、界面區(qū)、熱機影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)、鋼側細晶區(qū)和母材（BM）等部分組成。鋁和鋼在界面處通過冶金結合緊密連接在一起，接頭宏觀呈碗狀，在鋁合金一側的焊核區(qū)可以看到典型的“洋蔥環(huán)”結構，鋁/鋼界面處明顯看出發(fā)生了一定的冶金反應，而出現不同于鋁和鋼組織的區(qū)域，在攪拌針作用區(qū)域距離焊縫中心最遠處同樣出現了鉤狀結構，而在界面區(qū)的中心出現了較少量的深色夾雜物。
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結 論

本文針對6082-T6鋁合金和 QSTE340TM鋼的搭接攪拌摩擦焊進行研究，分析鋁/鋼搭接接頭的組織特征、金屬間化合物特征以及接頭的力學性能，并將力學性能與組織特征和金屬間化合物的關系對應聯系起來，探究獲得較高力學性能的鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊接頭的可行性及方法。主要結論如下：（1）利用自主設計的攪拌頭進行鋁/鋼搭接攪拌摩擦焊，驗證了利用攪拌摩擦焊實現鋁/鋼搭接焊接的可行性，焊縫成形美觀，接頭力學性能較高，最大拉剪載荷能達到 5233N。（2）鋁/鋼攪拌摩擦焊搭接接頭宏觀上呈碗狀結構，接頭可以分為焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)、界面區(qū)、細晶區(qū)及兩側母材等部分。其中界面區(qū)存在著鋼攪入鋁中的夾雜物、鉤狀結構、鋼側的疊層結構及金屬間化合物等復雜的形貌，使得界面區(qū)成為鋁/鋼搭接接頭中最薄弱的部位。（3）對鋁/鋼搭接接頭力學性能分析，發(fā)現拉剪試驗均沿著鋁和鋼的結合面處撕裂，斷口分析呈現解理狀，為脆性斷裂。攪拌針長度為 3.1mm 時，接頭最大拉剪載荷為 5233N，明顯高于攪拌針長度為 2.9mm 和 3.3mm 時的接頭的力學性能，系統地分析發(fā)現這與界面區(qū)的寬度及界面組織尤其是金屬間化合物層的厚度有關。
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參考文獻（略）