本文選題：鋁合金型材　切入點：高速攪拌摩擦焊　出處：《哈爾濱工業(yè)大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：鋁合金擠壓型材具有剛度大、比強度高、平整度好和耐腐蝕性強等優(yōu)點,被廣泛應用于城軌車輛制造領域。攪拌摩擦焊(FSW)作為固相連接技術(shù),能夠消除傳統(tǒng)熔焊產(chǎn)生的焊接問題,適用于鋁合金型材的焊接。但關(guān)于型材FSW的研究開展較晚,目前主要存在兩個問題:結(jié)構(gòu)尺寸設計缺乏理論指導,焊接效率亟待提高。針對這兩個問題,本文構(gòu)建了順序熱-力耦合模型,結(jié)合承載能力和結(jié)構(gòu)重量等因素,設計了FSW接頭結(jié)構(gòu);研制了變螺旋槽深的大軸肩攪拌頭,實現(xiàn)了鋁合金型材的高速攪拌摩擦焊接,闡明了高速FSW接頭微觀組織和力學性能的演變規(guī)律。提出了FSW優(yōu)化產(chǎn)熱模型,并研究了物性參數(shù)對熱場模擬的影響。與傳統(tǒng)產(chǎn)熱模型相比,優(yōu)化產(chǎn)熱模型將產(chǎn)熱體積細分為若干層,各層采用不同的屈服強度計算熱流密度,并且考慮了攪拌頭傾角,給出了軸肩產(chǎn)熱面積和攪拌頭下扎速率的數(shù)學關(guān)系式,使熱輸入逐漸加載,消除了溫度突變。對比各測溫點的實測和模擬熱循環(huán)曲線發(fā)現(xiàn),優(yōu)化產(chǎn)熱模型具有更高的模擬精度。此外,賦予每個物性參數(shù)四種數(shù)值:函數(shù)值(數(shù)值隨溫度發(fā)生變化)、室溫值(20℃)、中溫值(300℃)和高溫值(600℃),并將常數(shù)值對應的焊接熱循環(huán)曲線與函數(shù)值進行對比,結(jié)果發(fā)現(xiàn)屈服強度對熱場模擬影響顯著,而質(zhì)量密度、比熱容和熱導率對熱場模擬影響不大。確定了型材FSW的優(yōu)化接頭結(jié)構(gòu)和最佳接頭類型。首先,構(gòu)建順序熱-力耦合模型對焊接過程中型材內(nèi)部的應力場進行分析,發(fā)現(xiàn)扎入階段主支撐筋前進側(cè)圓弧過渡處的焊接應力集中程度最大,是焊接過程中的“最危險”位置。增大主支撐筋寬度(SW)或圓弧半徑(AR)能夠顯著降低焊接應力,優(yōu)化接頭結(jié)構(gòu)中SW=6mm,AR=5mm。然后,采用不同針長的攪拌頭對固定厚度的板材進行焊接,設計了未透對接、已透對接和對-搭組合三種接頭。其中,未透對接接頭根部對接面處會形成未焊合缺陷,對-搭組合接頭焊核區(qū)兩側(cè)會產(chǎn)生“鉤”狀缺陷,兩種缺陷附近均存在應力集中,且減小了接頭的有效承載面積,會顯著降低接頭力學性能;已透對接接頭內(nèi)部無焊接缺陷,具有最高的拉伸性能,是型材FSW的最佳接頭類型。實現(xiàn)了鋁合金型材的高速攪拌摩擦焊接,并闡明了型材高速FSW接頭不同區(qū)域的微觀組織演變規(guī)律。本課題所研制攪拌頭的軸肩直徑為工件厚度的5倍,平軸肩表面加工有自外至內(nèi)深度逐漸變淺的阿基米德螺旋槽,攪拌針側(cè)面加工有兩套導程不同的右旋錐螺紋,采用該攪拌頭實現(xiàn)了對鋁合金型材的高速攪拌摩擦焊接�；谖⒂^組織觀察和熱場模擬結(jié)果可知,高速FSW接頭熱影響區(qū)的晶粒形態(tài)與母材相似,但發(fā)生粗化,高焊接速度導致高溫停留時間大幅縮短,抑制了β′′相的溶解和粗化,晶內(nèi)主要沉淀相為低于母材密度的β′′相和略高于母材密度的β′相。熱機影響區(qū)晶粒沿一定方向彎曲變形,晶內(nèi)位錯密度最高,β′′相全部溶解,主要沉淀相為與熱影響區(qū)密度相近的β′相。焊核區(qū)在劇烈的塑性變形和高熱輸入的聯(lián)合作用下,發(fā)生了連續(xù)動態(tài)再結(jié)晶,形成細小的等軸晶粒,晶內(nèi)含有較高密度位錯,所有β′′相和大部分β′相溶解進入基體,極少量β′相轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶庀唳隆ｋS著焊接熱輸入的增加,熱影響區(qū)β′′相的溶解程度明顯增大,焊核區(qū)β相的含量小幅增加。揭示了型材高速FSW接頭力學性能與微觀組織的內(nèi)在聯(lián)系,研究了焊接缺陷對高速FSW接頭力學性能的影響程度,并優(yōu)化了高速FSW的工藝參數(shù)。無缺陷接頭的拉伸性能取決于顯微硬度,焊核區(qū)顯微硬度的變化受細晶強化和位錯強化的控制,熱機影響區(qū)顯微硬度的變化取決于位錯強化和沉淀強化的綜合作用,熱影響區(qū)顯微硬度的變化則受到沉淀強化和固溶強化的共同作用。隨著主軸轉(zhuǎn)速、軸向壓力或焊接速度的增加,接頭各區(qū)兩種強化作用的變化趨勢相反,顯微硬度在它們的綜合作用下不同程度提高,接頭的拉伸性能也隨之增加。當焊接參數(shù)選擇不當時,焊縫下部易產(chǎn)生未焊合和孔洞等焊接缺陷。未焊合可以細分為弱連接和未連接,弱連接對接頭的拉伸和疲勞性能無影響;尺寸小于0.1mm的未連接對接頭的拉伸性能無影響,但它的存在會嚴重削弱接頭的疲勞性能。當孔洞尺寸小于0.3mm時,接頭的拉伸性能不受影響;但含有孔洞缺陷的接頭的疲勞性能顯著低于無缺陷接頭。采用響應面法建立了接頭抗拉強度與工藝參數(shù)間的響應模型,結(jié)合接頭性能和焊接效率需求,確定了優(yōu)化工藝參數(shù)為:主軸轉(zhuǎn)速2200r/min,焊接速度2000mm/min,軸向壓力19kN。所得優(yōu)化接頭的抗拉強度為219MPa(強度系數(shù)為75%),同時接頭疲勞性能良好,95%存活率對應的條件疲勞特征值為125.5MPa。本課題所設計的FSW接頭結(jié)構(gòu)已被用于國內(nèi)城軌車輛的地板,且所研制的攪拌頭和優(yōu)化工藝已被用于地板焊接。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG407

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