攪拌摩擦焊作為固相連接技術(shù),可避免熔焊缺陷,對于鋁合金等輕質(zhì)材料連接有巨大優(yōu)勢。但由于攪拌摩擦焊固有模式,存在接頭減薄、焊后匙孔或缺陷修復以及無法支撐的問題。針對這些問題,對3 mm厚7150-T77511高強鋁合金采用無減薄攪拌摩擦焊、固相填充修復和自支撐攪拌摩擦焊實現(xiàn)接頭的無缺陷高強連接,獲得無減薄接頭。本文設(shè)計了分體式焊具并對其優(yōu)化,研究了接頭成形、微觀組織、力學性能及材料流動行為,為7150-T77511高強鋁合金的攪拌摩擦焊無缺陷高性能連接提供技術(shù)支持。通過內(nèi)置小軸肩焊具新穎性設(shè)計,利用“一次焊接,二次成形”方式實現(xiàn)了無減薄高強度連接。在焊具轉(zhuǎn)速800 rpm,焊接傾角1.5°,焊速100-400mm/min下,無減薄攪拌摩擦焊接頭無缺陷,整個接頭分為軸肩作用區(qū)、焊核區(qū)、熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)。在一定范圍內(nèi)隨焊速增加,接頭變窄,晶粒細化,接頭抗拉強度提高,最大可達491.8 MPa,達到母材強度的85%,斷裂方式為脆性-韌性混合斷裂模式。接頭顯微硬度呈“W”型分布,前進側(cè)更高的焊接溫度使部分強化相析出,硬度最低值出現(xiàn)在后退側(cè)的熱影響區(qū)。材料本身特性導致硬度受熱影響區(qū)域較寬,焊速增加可提高接頭整體顯微硬度。通過設(shè)計可消耗式焊具,在匙孔或缺陷規(guī)則化處理后,采用“以強補弱”方式進行固相修復,實現(xiàn)了匙孔或缺陷的修復。對規(guī)則孔和填充棒尺寸優(yōu)化設(shè)計,實現(xiàn)了填充接頭的準等強修復,最大抗拉強度達到445.9 MPa,為焊縫強度的90.7%。填充修復接頭分為填充區(qū)、混合區(qū)、新焊核區(qū)、焊核區(qū)、熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)。原填充棒部分材料留在修復接頭中成為填充區(qū),填充棒材料與規(guī)則孔周圍材料混合形成冶金連接成為混合區(qū),斷后填充棒在攪拌摩擦處理過程中充當攪拌針作用并形成新焊核區(qū)。隨填充棒尺寸接近到略大于規(guī)則孔尺寸時,接頭抗拉強度增加,混合區(qū)的細小等軸晶為兩者材料混合并重新形核長大而成,硬度相比新焊核區(qū)和焊核區(qū)高,熱機影響區(qū)和熱影響區(qū)經(jīng)歷二次焊接熱循環(huán),軟化嚴重,成為填充修復接頭的最弱區(qū)域。通過設(shè)計帶下支撐體攪拌針分體式焊具,以下支撐體實現(xiàn)背部支撐作用,達到無墊板支撐攪拌摩擦焊連接。優(yōu)化自支撐攪拌摩擦焊分體式焊具形狀尺寸,可適應(yīng)不同板厚無墊板攪拌摩擦焊連接,尺寸的優(yōu)化設(shè)計避免了軸肩外圈作用區(qū)的下榻,消除了常規(guī)攪拌摩擦焊背部弱連接和未焊透問題。該方法轉(zhuǎn)速工藝區(qū)間窄,在550 rpm下一定范圍內(nèi)增加焊速可以減少甚至消除內(nèi)部孔洞缺陷,在500 mm/min焊速下實現(xiàn)了無缺陷自支撐攪拌摩擦焊連接。受軸肩和下支撐體作用上焊核區(qū)和下焊核區(qū)由于結(jié)構(gòu)的相似性和良好的散熱條件,晶粒大小基本一致,相比焊核區(qū)晶粒更細小,各區(qū)晶粒形貌與常規(guī)攪拌摩擦焊類似。通過采用無減薄攪拌摩擦焊、匙孔或缺陷固相修復和自支撐攪拌摩擦焊,實現(xiàn)了材料的高強無減薄連接,對焊后匙孔進行了準等強修復,并實現(xiàn)了無法支撐時的攪拌摩擦連接。經(jīng)焊具設(shè)計優(yōu)化和對組織與性能相關(guān)性分析,實現(xiàn)性能優(yōu)化控制,獲得無減薄無缺陷高強攪拌摩擦焊接頭。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG453.9
【部分圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學工程碩士學位論文的特殊設(shè)計，可以實現(xiàn) T 形接頭的連緩解焊縫的減薄問題。實施焊接時攪接觸，這時攪拌針與材料摩擦產(chǎn)熱，拌針與靜止軸肩一起朝焊接方向移動板共同約束下，材料不發(fā)生外溢和流下劇烈塑變并從側(cè)邊向后方流動，填縫[13]。整個接頭分為焊核區(qū)（Weldingo-Mechanically Affected Zone，TMAZ材區(qū)（Base Material，BM）。相比傳統(tǒng)表面光滑，無需焊后再修復，提高了接變形小，接頭整體性能提高；焊縫

圖 1-2 適用于常規(guī) FSW 設(shè)備的 SSFSW 焊具及焊縫成形[14](a) SSFSW 焊具 (b) 焊縫表面成形圖 1-3 SSFSW 焊具設(shè)計[15](a) 焊具模型圖 (b) 焊具實物在對微觀組織研究上，Li D 等人[16]對 6061-T6 鋁合金 SSFSW 接頭分析發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)的上、中、下部晶粒尺寸相比常規(guī) FSW，于厚度方向上的晶粒梯度大幅降低，這有利于提高接頭的整體力學性能。

圖 1-3 SSFSW 焊具設(shè)計[15](a) 焊具模型圖 (b) 焊具實物在對微觀組織研究上，Li D 等人[16]對 6061-T6 鋁合金 SSFSW 接頭分析發(fā)現(xiàn)，焊核區(qū)的上、中、下部晶粒尺寸相比常規(guī) FSW，于厚度方向上的晶粒梯度大幅降低，這有利于提高接頭的整體力學性能。圖 1-4 SSFSW 焊核區(qū)厚度方向晶粒尺寸[16](a) SSFSW 接頭內(nèi)部成形 (b) WNZ 上部 (c) WNZ 中部 (d) WNZ 下部
【參考文獻】

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本文編號：2868520