【摘要】：6061鋁合金作為可熱處理強(qiáng)化鋁合金,具有低密度、較高的比強(qiáng)度、良好的耐蝕性、焊接性等特性,在航空航天、汽車、船舶等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。作為一種固相連接工藝,攪拌摩擦焊技術(shù)在鋁及其合金的焊接方面顯示出了巨大的優(yōu)勢,并通過在設(shè)計(jì)和制造中增加鋁合金的使用量來實(shí)現(xiàn)載具的輕量化。本文運(yùn)用OM,SEM,EBSD,EDS,XRD,DSC和TEM等分析測試技術(shù)研究了攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對6061-T6時(shí)效硬化鋁合金對接焊接頭各區(qū)域的晶粒形貌與取向、晶界特征、位錯(cuò)密度以及析出相的影響。探討了焊接參數(shù)、接頭各區(qū)域的顯微組織演變和接頭力學(xué)性能之間的關(guān)系,解明了焊接參數(shù)對接頭性能影響的本質(zhì)問題。攪拌摩擦焊對接接頭分為母材區(qū)、熱影響區(qū)、熱力影響區(qū)和焊核區(qū)。焊核區(qū)的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶模式同時(shí)包括幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。焊接熱輸入的增加,會(huì)同時(shí)降低焊核區(qū)連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的阻力。在高焊接速度下,隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加,主要表現(xiàn)為幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能力的增強(qiáng),從而促進(jìn)大角度晶界長度百分比的增加。然而,在低焊接速度下,隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加,主要表現(xiàn)為連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能力的增強(qiáng),從而使小角度晶界的長度百分比增加。降低焊接速度,焊核區(qū)的位錯(cuò)密度會(huì)隨動(dòng)態(tài)回復(fù)和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶能力的增強(qiáng)而下降,從而使焊核區(qū)硬度下降。焊核區(qū)的織構(gòu)主要為剪切織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)。焊核區(qū)織構(gòu)組分的類型、強(qiáng)度分布與材料所處的應(yīng)變狀態(tài)有關(guān),高焊接速度和高攪拌頭轉(zhuǎn)速下,焊核區(qū)材料會(huì)在大應(yīng)變量下發(fā)生變形。焊核區(qū)非共格的Σ3晶界的形成是幾何動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的結(jié)果,而不是發(fā)生了孿晶變形。同時(shí),以Σ3為代表的部分CSL晶界的晶界遷移率較低,其含量的增加可細(xì)化焊核區(qū)的晶粒,從而使焊核區(qū)硬度有所增加。焊核區(qū)內(nèi)的β"相基本上全部消失,同時(shí)會(huì)存在兩類尺寸細(xì)小的過時(shí)效相β'/Q'和β/Q相,降低焊接速度后,剪切織構(gòu)滑移面的改變以及動(dòng)態(tài)回復(fù)和連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng),都會(huì)對過時(shí)效析出相與Al基體之間的晶體取向關(guān)系產(chǎn)生影響。由于焊核區(qū)的沉淀強(qiáng)化相大量溶解,Al基體的固溶度會(huì)增加,并在焊接熱循環(huán)的作用下自時(shí)效,從而使納米級(jí)的溶質(zhì)原子團(tuán)簇彌散析出。所形成的團(tuán)簇結(jié)構(gòu)具有以下特征:單位晶胞與Al基體共格,即晶格參數(shù)a = b = 0.404 nm,c1.212 nm;單位晶胞中存在一個(gè)反相結(jié)構(gòu)(anti-phase boundary,APB);團(tuán)簇內(nèi)包含Al、Mg、Si和Cu原子。與固溶后的6061母材相比,焊核區(qū)的Si原子固溶度依舊較低,溶質(zhì)原子團(tuán)簇在加熱的過程中會(huì)優(yōu)先向β'相轉(zhuǎn)變。增加攪拌頭的轉(zhuǎn)速,會(huì)促進(jìn)溶質(zhì)原子團(tuán)簇的析出,從而增加焊核區(qū)的硬度。同時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加還會(huì)使β'、β、Q'和Q等過時(shí)效相破碎細(xì)化甚至溶解;焊接速度降低后,以u相為代表的α-Al(Mn,Cr,Fe)Si顆粒相會(huì)在被攪拌針破碎細(xì)化的β'等過時(shí)效相上形核或獨(dú)自長大。攪拌頭后方焊核區(qū)材料的主要流動(dòng)方式為:由后退側(cè)逆時(shí)針進(jìn)入攪拌頭后部,同時(shí)還會(huì)有少量由前進(jìn)側(cè)順時(shí)針進(jìn)入的反向塑性金屬流。降低攪拌頭轉(zhuǎn)速,反向塑性金屬流向上擴(kuò)展;而降低焊接速度,反向塑性金屬流則朝焊核區(qū)中部橫向擴(kuò)展。當(dāng)攪拌針附有螺紋時(shí),增加攪拌頭的轉(zhuǎn)速,會(huì)促進(jìn)后退側(cè)的材料向上運(yùn)動(dòng),使得更多的材料越過焊核區(qū)上部最終被擠入靠近前進(jìn)側(cè)的焊核區(qū)下方,從而加速材料的塑性流動(dòng)。攪拌摩擦焊接頭的熱輸入,由工件與攪拌頭接觸界面的產(chǎn)熱和塑性變形產(chǎn)熱構(gòu)成。工件與攪拌頭接觸界面的產(chǎn)熱會(huì)隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而降低,而接頭的塑性變形產(chǎn)熱卻隨攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而增加。當(dāng)采用帶有螺紋的攪拌針焊接6061-T6鋁合金中厚板時(shí),增加攪拌頭轉(zhuǎn)速,攪拌摩擦焊接頭的總熱輸入會(huì)隨塑性變形產(chǎn)熱的增加而增加,當(dāng)焊接速度較低時(shí),這一趨勢會(huì)更加明顯。此外,降低焊接速度還會(huì)增加接頭熱輸入的不均勻性。熱力影響區(qū)一般會(huì)發(fā)生動(dòng)態(tài)回復(fù)和部分動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,其晶粒尺寸與焊核區(qū)接近,而其小角度晶界的長度百分比要比接頭其他區(qū)域高。熱力影響區(qū)兩側(cè)的塑性變形的方式有所差別,前進(jìn)側(cè)主要受到攪拌頭的剪切力作用;后退側(cè)與攪拌頭之間隔著大量裹挾而來的金屬流,剪切力的作用明顯減弱,主要受到的是擠壓力,因而后退側(cè)以軋制織構(gòu)為主。降低攪拌頭轉(zhuǎn)速會(huì)改變后退側(cè)軋制織構(gòu)組分的類型,同時(shí)會(huì)使前進(jìn)側(cè)由剪切應(yīng)力狀態(tài)向軋制應(yīng)力狀態(tài)改變。熱力影響區(qū)的β"相基本上全部消失,取而代之的是β'和Q'等相。位錯(cuò)密度是影響熱力影響區(qū)硬度的主要因素,其會(huì)隨著焊接速度和攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加而增加。熱力影響區(qū)塑性變形量的增加,對時(shí)效析出相有一定的破碎作用,降低攪拌頭轉(zhuǎn)速,破碎過時(shí)效析出相的效果減弱,其尺寸持續(xù)長大。熱影響區(qū)遠(yuǎn)離攪拌頭,只受焊接熱循環(huán)的影響且基本不發(fā)生變形,在靜態(tài)回復(fù)的作用下,晶粒尺寸有所增加,晶粒內(nèi)位錯(cuò)密度降低。焊接速度較高時(shí),接頭各區(qū)域的位錯(cuò)密度均較高,熱影響區(qū)仍然存在大量針狀的β"相,因此熱影響區(qū)與焊核區(qū)和熱力影響區(qū)硬度的差值較小,接頭前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)硬度分布無明顯差異。當(dāng)焊接速度較低時(shí),接頭各區(qū)域的位錯(cuò)密度均較低,熱影響區(qū)針狀的β"相逐漸被棒狀β'和Q'相取代,由于熱影響區(qū)不受攪拌針的攪拌作用,時(shí)效相不會(huì)被破碎細(xì)化,因而β'和Q'等相的尺寸會(huì)隨著焊接熱輸入的增加而增加。增加攪拌頭轉(zhuǎn)速,熱影響區(qū)硬度會(huì)隨位錯(cuò)密度的降低而進(jìn)一步降低。接頭拉伸試驗(yàn)表明,接頭力學(xué)性能的最優(yōu)值是在高焊接速度和適當(dāng)?shù)臄嚢桀^轉(zhuǎn)速下獲得。接頭斷口形式均以韌性斷裂為主,斷口位于靠近母材的熱影響區(qū)�？估瓘�(qiáng)度一般與熱影響區(qū)硬度的最低值有關(guān),而延伸率則與包括焊核區(qū)、熱力影響區(qū)和熱影響區(qū)在內(nèi)的軟化區(qū)域的范圍有關(guān)。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG453.9;TG146.21
【圖文】：

旋轉(zhuǎn)與工件金屬摩擦產(chǎn)生熱量，隨著攪拌頭的不斷前進(jìn)，使焊縫兩側(cè)的金屬經(jīng)過逡逑劇烈的塑性流變混合而填充攪拌針后方形成的空腔，形成致密的焊縫，攪拌摩擦逡逑焊焊接原理如圖１．１所示。攪拌摩檫焊技術(shù)有效地避免傳統(tǒng)熔化焊接錯(cuò)合金時(shí)常逡逑２逡逑

于Ａ１的＜１００＞方向）可作為時(shí)效析出相和顆粒相的中間過渡相，其首先在過時(shí)？逡逑效強(qiáng)化相上形核并呈棒狀生長，當(dāng)溫度升高后，其最終將作為ａ－Ａｌ－（Ｍｎ，邋Ｃｒ，Ｆｅ）－Ｓｉ逡逑顆粒相的異質(zhì)形核心，如圖１．２所示。同時(shí)，Ｌａｒｓ邋Ｌｏｄｇａａｒｄ還發(fā)現(xiàn)控制Ｍｎ和逡逑Ｃｒ的含量和比例，對抑制顆粒相的形成有一定作用。當(dāng)進(jìn)行Ａｌ－Ｍｇ－Ｓｉ－（Ｃｕ）合金逡逑的攪拌摩擦焊時(shí)，這些對基體無明顯強(qiáng)化效果且熱穩(wěn)定性好的顆粒相的出現(xiàn)會(huì)對逡逑接頭各項(xiàng)性能產(chǎn)生不利影響，因此除了對過時(shí)效強(qiáng)化相進(jìn)行分析之外，還有必要逡逑研究對d拱枘Σ梁腹ひ詹問虢油房帕Ｏ嗟奈齔齬媛山泄亓峰義希村義

本文編號(hào)：2790582