【摘要】：靜止軸肩攪拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)是英國焊接研究所基于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊開發(fā)的一種新型固相連接技術(shù),具有焊接載荷低、焊縫表面光滑、基本無飛邊與減薄、摩擦熱沿板厚較均勻及適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢,在鈦合金、不同厚度鋁合金及角焊縫攪拌摩擦焊復(fù)雜形式接頭方面的制造中有廣闊應(yīng)用前景。但截至目前,僅有屈指可數(shù)的文獻(xiàn)對SSFSW接頭的組織及力學(xué)性能進(jìn)行了公開報道。有關(guān)SSFSW攪拌工具、接頭形式、焊接工藝、組織缺陷及接頭性能等基本問題仍未得到系統(tǒng)深入的研究與闡述。本文開發(fā)了適用于對接接頭和不同形式T形接頭的SSFSW焊接工具及工裝,采用6061-T6/T4、7075-T651和5A03-H112四種鋁合金為試驗材料,在對接頭焊接工藝優(yōu)化與材料焊接性進(jìn)行深入系統(tǒng)試驗研究基礎(chǔ)上,對SSFSW接頭中材料冶金特征、組織與缺陷、力學(xué)性能、非均質(zhì)性、撕裂韌性和疲勞性能進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。主要結(jié)論如下:1.設(shè)計研制了SSFSW焊接工具及工裝夾具,對攪拌工具形狀、尺寸范圍及靜止軸肩與攪拌針配合間隙等關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)試驗探討,成功實(shí)現(xiàn)了板厚度為5 mm的三種鋁合金無缺陷SSFSW對接接頭和6061-T4鋁合金無填充材料及有填充材料無缺陷SSFSW-T形接頭的焊接過程,為后續(xù)SSFSW技術(shù)的焊接工藝優(yōu)化、組織及性能的研究提供重要基礎(chǔ)。2.對SSFSW對接接頭及T形接頭焊接工藝、焊縫成型及缺陷進(jìn)行了詳細(xì)研究。試驗結(jié)果表明:無缺陷的SSFSW對接接頭表面平整光滑,焊縫基本無減薄現(xiàn)象,有填充材料T形接頭可明顯改善焊縫過渡圓角。SSFSW接頭焊接應(yīng)力及變形低,基本無殘余變形。在不恰當(dāng)參數(shù)下,SSFSW接頭主要缺陷為材料流動性不足導(dǎo)致的焊縫表面溝狀缺陷,由于靜止軸肩對焊縫的擠壓作用,表面成型光滑的對接接頭不易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷。不同鋁合金材料焊接性差別明顯,5 mm厚度6061-T6、7075-T651和5A03-H112對接接頭的優(yōu)化焊接工藝窗口分別為:750~2000 rpm50~400 mm/min、750~1500 rpm100~200 mm/min和1500 rpm30~50 mm/min;5 mm厚度6061-T4鋁合金無填充材料T形接頭優(yōu)化工藝為1500 rpm100/300mm/min;有填充材料T形接頭優(yōu)化工藝為1500 rpm100 mm/min。3.對SSFSW對接及T形接頭焊縫宏觀與微觀組織特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。試驗表明:對接接頭分為焊核區(qū)(NZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)和熱影響區(qū)(HAZ)。其中6061-T6和5A03-H112接頭NZ形狀與攪拌針輪廓類似,為錐臺形,7075-T651接頭NZ形狀為鼓形;TMAZ對稱的分布在NZ兩側(cè)很窄的范圍內(nèi),HAZ分布于TMAZ外側(cè),且兩者寬度明顯小于傳統(tǒng)FSW接頭。6061-T4不同形式T形接頭分區(qū)與對接接頭相同,但形狀有所不同。其中NZ形狀對稱為傘狀,TMAZ分布在NZ外側(cè),HAZ分布于TMAZ外側(cè)。4.對不同類型鋁合金SSFSW接頭,攪拌工具、焊接速度與轉(zhuǎn)速是影響接頭力學(xué)性能的關(guān)鍵因素。試驗表明,在較優(yōu)的焊接參數(shù)下,6061-T6和7075-T651對接接頭強(qiáng)度系數(shù)分別為母材的78%和69%,最薄弱區(qū)在HAZ區(qū),最低硬度處硬度最大值分別為母材的68%和69%,在給定主軸轉(zhuǎn)速下焊接速度的影響更為顯著;而對非熱處理強(qiáng)化鋁合金5A03-H112,對接接頭硬度與抗拉強(qiáng)度受焊接參數(shù)影響不大,NZ硬度水平與母材相當(dāng),抗拉強(qiáng)度最高為母材的99.6%。對于無填充材料T型接頭,螺紋攪拌針可以增加材料的流動性,有效避免內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生。在優(yōu)化工藝下無填充和有填充材料T形接頭底板強(qiáng)度系數(shù)最高分別可達(dá)母材的68%和78%,筋板強(qiáng)度系數(shù)最高分別可達(dá)母材的83%和96%。5.SSFSW焊接接頭存在顯著顯微組織與力學(xué)性能非均質(zhì)性,不同種類鋁合金材料接頭非均質(zhì)特性明顯不同。試驗表明:非熱處理強(qiáng)化的5A03-H112鋁合金對接接頭力學(xué)性能非均質(zhì)性很小,其硬度和抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng);組織非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在NZ為細(xì)小等軸晶,而母材和HAZ為軋制晶粒結(jié)構(gòu)。熱處理強(qiáng)化的6061-T6和7075-T651鋁合金對接接頭焊接區(qū)組織存在明顯的非均質(zhì)性并導(dǎo)致了力學(xué)性能的非均質(zhì)性。6061-T6和7075-T651組織非均質(zhì)性主要體現(xiàn)在NZ中晶粒細(xì)化、結(jié)晶相被破碎并重新分布且沉淀相完全溶解以及HAZ中沉淀相發(fā)生轉(zhuǎn)變或溶解。在不同焊接參數(shù)下兩種材料對接接頭最低硬度區(qū)硬度分別為母材的50~68%和64~69%;6061-T6對接接頭不同位置屈服和抗拉強(qiáng)度分別為61.9~113.3 MPa和34.8~86.2 MPa。6.試驗表明鋁合金材料種類不同是影響SSFSW接頭撕裂韌性的關(guān)鍵因素。對熱處理強(qiáng)化6061-T6和7075-T651對接接頭,焊核區(qū)最高啟裂韌性可達(dá)母材的91-92%,最低位于HAZ,可達(dá)母材62-68%,表明HAZ抗裂紋開裂能力明顯低于母材;但對非熱處理強(qiáng)化5A03-H112對接接頭,NZ與HAZ啟裂韌性均超過母材131%以上,表明焊縫區(qū)抗開裂能力明顯高于母材。這為選擇SSFSW技術(shù)進(jìn)行不同鋁合金結(jié)構(gòu)制造提供重要試驗依據(jù)。7.詳細(xì)研究了SSFSW-T形接頭彎曲疲勞性能。試驗表明無填充材料T形接頭疲勞性能低于有填充材料T形接頭的疲勞性能,但明顯高于大部分文獻(xiàn)中傳統(tǒng)FSW對接接頭的疲勞性能,且明顯高于TIG焊T形接頭的疲勞性能。采用優(yōu)化的參數(shù),在90%置信度97.5%存活率下無填充和有填充材料接頭在2×106疲勞壽命時的特征疲勞強(qiáng)度分別為101.0 MPa和101.4 MPa,分別為IIW對熔化焊T形接頭推薦值的361%和362%。應(yīng)力集中決定SSFSW-T形接頭的疲勞斷裂位置。焊接速度影響T形接頭表層超細(xì)晶的結(jié)構(gòu)進(jìn)而影響接頭疲勞性能。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：天津大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TG453.9

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本文編號：2393439