作為一種固相焊接方法,攪拌摩擦焊為解決輕合金焊接提供一種新的思路。但攪拌摩擦焊要求被焊材料必須剛性固定,且對(duì)焊接設(shè)備剛度有較高要求。特別是在焊接高強(qiáng)鋁合金厚板時(shí),設(shè)備剛性不足可能導(dǎo)致焊接過(guò)程穩(wěn)定性差、焊縫根部出現(xiàn)未焊合缺陷等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題,本文提出了小軸肩攪拌摩擦焊,即通過(guò)減小攪拌針及軸肩尺寸,降低焊接過(guò)程中焊具承受載荷,從而減小對(duì)焊接設(shè)備的剛度要求,實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)鋁合金厚板的焊接。本文以9mm厚2A14-T4鋁合金為試驗(yàn)材料,綜合考慮焊接過(guò)程中的熱輸入及材料流動(dòng)等因素,提出周向銑三平面攪拌針拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及小尺寸內(nèi)凹軸肩的焊具結(jié)構(gòu),并設(shè)計(jì)了Ⅰ型、Ⅱ型兩種不同尺寸的焊具。對(duì)穩(wěn)定焊接過(guò)程中焊具承載的特點(diǎn)進(jìn)行分析并計(jì)算了攪拌針根部載荷,分析結(jié)果表明攪拌針根部的最大正應(yīng)力為133 MPa,最大剪應(yīng)力為35 MPa。模擬了不同過(guò)渡圓角半徑條件下的焊具應(yīng)力分布狀態(tài),結(jié)果表明焊具最大載荷出現(xiàn)在攪拌針與軸肩過(guò)渡界面處,增大過(guò)渡圓角能夠使焊具承受的載荷分布更加均勻,并據(jù)此優(yōu)化了焊具結(jié)構(gòu)。使用不同尺寸的焊具進(jìn)行了焊接試驗(yàn),結(jié)果表明Ⅱ型焊具的焊接質(zhì)量更為優(yōu)異。探究了焊接參數(shù)對(duì)材料成形、微觀組織、力學(xué)性能的影響。... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

攪拌摩擦焊示意圖[16]

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-3-輸入，對(duì)2.5mm，7.5mm的2219鋁合金接頭成型的影響，其結(jié)果如下圖1-2所示，其中厚板飛邊缺陷一般呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀，而薄板呈現(xiàn)褶皺狀。試驗(yàn)表明在400rpm，0.2mm壓深，50mm/min焊速條件下，焊接熱輸入過(guò)大，過(guò)渡軟化的材料從后退側(cè)脫離焊縫并形成飛邊；當(dāng)焊速提高到100mm/min時(shí)，能夠獲得無(wú)缺陷的焊縫。(a)(b)圖1-2焊縫表面飛邊缺陷[27](a)2.5mm板接頭的褶皺狀飛邊；(b)7.5mm板接頭的魚(yú)鱗狀飛邊（2）孔洞缺陷孔洞缺陷是指焊縫內(nèi)部材料流動(dòng)不充分，不能完全填充由攪拌針劃過(guò)所留下的未閉合的空腔，這類(lèi)缺陷通常出現(xiàn)在表面或焊縫的前進(jìn)側(cè)。Ramulu等人[28]采用12mm、15mm和18mm三種軸肩直徑的焊具，通過(guò)改變不同的壓入深度、焊具轉(zhuǎn)速和焊接速度，探究熱輸入對(duì)焊接缺陷的影響，分析認(rèn)為對(duì)于2.1mm厚6061鋁合金，1.8mm壓入深度，1100rpm轉(zhuǎn)速，90mm/min焊接速度條件下焊接熱輸入不足，從而出現(xiàn)明顯的孔洞缺陷，當(dāng)壓入深度提高到1.9mm時(shí)，孔洞缺陷消失。（3）未焊合缺陷未焊合缺陷是指在焊接接頭底部出現(xiàn)的“裂痕狀”缺陷，受到焊具尺寸，焊接參數(shù)，焊接底部散熱狀態(tài)以及對(duì)接接頭間隙等因素的影響。其本質(zhì)的原因在于攪拌針長(zhǎng)度不足，對(duì)于厚板鋁合金而言，焊縫底部熱輸入較低，材料受到的攪動(dòng)力較低，原始界面處的氧化物不能被完全打碎，使得界面兩側(cè)的金屬不能在微觀上實(shí)現(xiàn)完全的冶金結(jié)合，從而出現(xiàn)弱連接[28-30]。Zhou等人[31]對(duì)底部未焊合與2024鋁合金接頭的疲勞性能的相互聯(lián)系進(jìn)行了研究，分析表明，底部未焊合的存在使得接頭疲勞壽命相較無(wú)缺陷接頭減少33-80倍，經(jīng)歷2×106次循環(huán)后，底部未焊合缺陷使得焊接接頭疲勞強(qiáng)度減少54.7%。戴啟雷等人[32]探究了焊接速度對(duì)FSW接頭根部缺陷的影響，如圖1-3所示。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)碩士學(xué)位論文-4-(a)(b)(c)(d)(e)圖1-3不同焊接速度下接頭的未焊合缺陷[32](a)50mm/min；(b)100mm/min；(c)200mm/min；(d)400mm/min；(e)600mm/min特別對(duì)于厚板焊接而言，工藝窗口一般相對(duì)較窄，焊接接頭上部和底部熱輸入差異較大，材料流動(dòng)形式明顯不同，相對(duì)薄板而言，獲得無(wú)缺陷接頭的要求更為苛刻。因此需要通過(guò)設(shè)計(jì)合理的焊具形式，采用相互匹配的焊接工藝參數(shù)，從而調(diào)節(jié)焊接過(guò)程的熱輸入量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)成形良好、無(wú)缺陷的優(yōu)質(zhì)接頭。1.2.2微觀組織研究如圖1-4所示，F(xiàn)SW接頭材料由于焊接過(guò)程中熱輸入和塑性變形量的不同，一般被分為四個(gè)區(qū)域，即焊核區(qū)（WeldNuggetZone）、熱機(jī)影響區(qū)（Thermo-mechanicallyAffectedZone）、熱影響區(qū)（HeatAffectedZone）以及母材區(qū)（Basematerial）[16,33]。對(duì)攪拌摩擦焊接接頭微觀組織的研究主要集中在晶粒結(jié)構(gòu)和沉淀相分布兩個(gè)方面。圖1-4鋁合金FSW接頭典型橫截面及區(qū)域劃分[16]

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本文編號(hào)：3349030