發(fā)布時(shí)間：2020-03-31 21:27

【摘要】：7050-T7451高強(qiáng)鋁合金由于具有低密度、高強(qiáng)度及塑性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、船舶制造以及航空航天領(lǐng)域。采用常規(guī)熔焊方法對(duì)合金進(jìn)行焊接,易產(chǎn)生氣孔、熱裂紋等缺陷,導(dǎo)致接頭力學(xué)性能受到嚴(yán)重影響,限制其應(yīng)用。攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)作為一種新型焊接技術(shù),焊接變形小、幾乎不產(chǎn)生氣孔、裂紋等焊接缺陷,且焊接設(shè)備簡單,不需保護(hù)氣體。但高強(qiáng)鋁合金FSW接頭在高載荷或交變載荷條件下易引起疲勞失效問題,因此研究高強(qiáng)鋁合金FSW接頭組織結(jié)構(gòu)特征及接頭表面強(qiáng)化技術(shù)與機(jī)理十分必要。本文選用7050-T7451高強(qiáng)鋁合金板材作為研究對(duì)象,對(duì)攪拌摩擦焊接頭進(jìn)行了金相、SEM及XRD觀察與分析,接頭硬度、拉伸與疲勞性能測試以及輔助先進(jìn)激光沖擊強(qiáng)化處理接頭表面區(qū),分析探討沖擊前后接頭顯微組織結(jié)構(gòu)、硬度分布、殘余應(yīng)力變化、斷口及疲勞斷裂機(jī)制。試驗(yàn)結(jié)果表明:攪拌摩擦焊后,焊接接頭主要分為焊核區(qū)(WNZ)、熱力影響區(qū)(TMAZ)、熱影響區(qū)(HAZ)和母材區(qū)(BM)四個(gè)區(qū)域,焊核區(qū)經(jīng)歷了機(jī)械攪拌和較高焊接熱輸入,發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶形成等軸晶粒,組織最為細(xì)小;熱力影響區(qū)受到剪切力的影響,晶粒被顯著拉長;而熱影響區(qū)僅受到焊接熱循環(huán)的影響,晶粒尺寸與母材接近。對(duì)焊縫表面和截面進(jìn)行顯微硬度測試,表面硬度呈“W”型分布,焊核區(qū)硬度值最高為136HV,約為母材硬度的97%,兩側(cè)熱影響區(qū)的硬度值較低,硬度最低出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)為115HV,為母材硬度的84%,熱力影響區(qū)的硬度最高為130HV,能夠達(dá)到母材硬度的95%,這是因?yàn)闊崃τ绊憛^(qū)即受到焊接熱循環(huán)又受到剪切力影響,與熱影響區(qū)相比,晶粒得到了一定程度的細(xì)化,因此硬度要高于熱影響區(qū);焊縫截面硬度呈“V”型分布,焊縫底部直接跟墊板接觸,冷卻速度快,又遠(yuǎn)離焊接熱源,因此焊縫底部的晶粒比上層晶粒更加細(xì)小,硬度相對(duì)更大,而中部晶粒有大有小,組織疏松,硬度最低。對(duì)焊接接頭進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸斷裂位置全部在兩側(cè)熱影響區(qū),斷裂在前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)時(shí)抗拉強(qiáng)度最低為453MPa,是母材抗拉強(qiáng)度的88%,這是由于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)在焊接過程中受到的熱循環(huán)較大,組織發(fā)生軟化的同時(shí)發(fā)生了沉淀相的長大與偏聚,更易發(fā)生斷裂。對(duì)拉伸斷口進(jìn)行觀察,既存在準(zhǔn)解理形貌的脆性斷裂特征,也有韌窩形貌的韌性斷裂特征。對(duì)接頭進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn),不同應(yīng)力水平下斷裂位置分別位于前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)、焊核區(qū)和母材區(qū),疲勞壽命分別為10×10~5,8.5×10~5和6.9×10~5。熱影響區(qū)的斷口,韌窩分布密集,斷裂方式為韌性斷裂;焊核區(qū)的斷口較為平整,韌窩較小,能夠觀察到直徑較大的第二相顆粒,斷裂方式為韌性斷裂;母材的斷口最為平整,這與應(yīng)力水平過高有一定關(guān)系,能夠從斷口中觀察到輪胎花樣和疲勞臺(tái)階,斷裂方式為脆性斷裂。激光沖擊強(qiáng)化后,焊縫上表面區(qū)晶粒更加細(xì)小,經(jīng)SEM形貌觀察,焊縫截面出現(xiàn)了空洞,焊縫截面進(jìn)行硬度測試發(fā)現(xiàn)沖擊的有效強(qiáng)化層深度為1.5mm,材料表層硬度提升幅度最大為15HV;對(duì)沖擊前后疲勞斷口進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)斷口形貌變化不大,但韌窩分布更密集,直徑更大,這與疲勞壽命測定結(jié)果保持一致,斷裂方式仍為韌性斷裂;沖擊后材料中存在的殘余拉應(yīng)力變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力,能有效降低疲勞裂紋的萌生,抑制疲勞裂紋的擴(kuò)展速度,從而延長接頭的疲勞使用壽命。
【圖文】：

圖 1.1 高強(qiáng)鋁合金材料的應(yīng)用鋁合金在廣泛應(yīng)用的同時(shí)也對(duì)其焊接技術(shù)提出了更為嚴(yán)格的要求，鋁合金的金屬性強(qiáng)，采用傳統(tǒng)的焊接方法進(jìn)行焊接時(shí)，溫度較高，容易在表面產(chǎn)生氧化膜；鋁合熱性好，焊接時(shí)容易發(fā)生不熔合現(xiàn)象，，產(chǎn)生焊接熱裂紋。而攪拌摩擦焊作為一種較

攪拌摩擦焊工作原理圖
【學(xué)位授予單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG453.9;TG665

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本文編號(hào)：2609603