2014-T6铝合金搅拌摩擦焊接工艺及塑性体流动研究.pdf

国内图书分类号:TG453 + .9 国际图书分类号: 工学博士学位论文 2014-T6 铝合金搅拌摩擦焊接工艺及 塑性体流动研究博士研究生: 赵衍华导师: 吴 林教授申请学位: 工学博士学科、专业: 材料加工工程 所在单位: 材料科学与工程学院答辩日期: 2006年3月授予学位单位: 哈尔滨工业大学 Classified Index: TG453 + .9 : Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering STUDY ON FRICTION STIR WELDING PROCEDURES AND PLASTIC MATERIAL FLOW IN 2014-T6 ALUMINIUM ALLOY Candidate: Zhao Yanhua Supervisor: Prof. Wu Lin Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering Specialty: Materials Processing Engineering Affiliation: School of Materials Sci. & Eng. Date of Defence: Mar, 2006 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology 摘要-I- 摘要 2014-T6 铝合金是航天工业中应用广泛的一种有色金属材料,采用传统熔焊技术焊接容易产生气孔、裂纹等缺陷。搅拌摩擦焊( Friction Stir Wel di ng ,以下简称 FSW )是英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术,与熔化焊相比,具有许多显著的优点。采用 FSW 技术焊接铝合金,研究搅拌头和焊接工艺参数对接头微观组织、力学性能及焊接过程焊缝金属塑性体流动的影响,对于揭示搅拌摩擦焊接头形成机理和开发 FSW 工艺具有重要的理论意义和实际应用价值。成功地焊接了 8mm 厚 2014-T6 铝合金。对接头进行微观组织分析表明,接头横截面存在 4 个典型分区:焊核区和轴肩挤压区发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶组织;热机影响区在搅拌针机械挤压和热循环的双重作用下发生了较大程度的变形;热影响区仅受热循环的作用,组织有粗化现象。当焊接速度 100mm/min ,旋转速度 400rpm 时,接头最高抗拉强度可达 360MPa ,约为母材的 78 %。将接头分为上中下三层,每层的力学性能不同,当接头存在缺陷时,拉伸强度受缺陷的影响而急剧下降,无缺陷时,上层强度最高,中间层强度最低,其强度差异可以达到 50MPa 左右。接头不同部位的强度和断裂位置与微观组织变化和显微硬度分布有关。 设计了不同形状及尺寸的搅拌头,在相同的焊接参数下,研究了搅拌头形状和尺寸对焊缝外形、接头微观组织及接头力学性能的影响。研究结果表明:搅拌头是 FSW 技术的关键,对焊缝的微观组织和力学性能具有重要影响。对于中等厚度的 2014-T6 铝合金板材,采用圆锥螺纹搅拌针+内凹锥面轴肩的搅拌头是一种合理的选择,搅拌针直径与板材厚度之比约为 1:1,轴肩直径与搅拌针直径之比约为3:1~4:1 时,得到性能良好的接头。 采用“标记嵌入技术”实现了 FSW 过程中塑性材料流动的可视化,分析了搅拌头形状和焊接工艺参数对材料流动的影响。结果表明:焊缝金属材料流动相对于焊缝中心线是非对称的,在前进边一侧, 既有材料向前流动也有材料向后流动;在回撤边一侧,材料只发生向后运动。采用三维图像重建技术对得到的试验数据进行分析表明,在焊缝中存在一个垂直方向上的塑性体流动,前进边的金属向下运动,回撤边的金属向上运动,两者的相互运动形成一个循环。搅拌头形状直接影响 FSW 过程中材料的流动。当采用圆柱和圆锥搅拌针焊接时,材料在垂直方向上的流动不明显,且存在一个“空哈尔滨工业大学工学博士学位论文-II- 白”。当采用圆锥螺纹搅拌针进行焊接时, “空白”消失,材料在焊缝垂直方向上有一个比较明显的循环运动。焊接工艺参数对 FSW 过程中材料流动也具有重要影响,减小 WP (Weld Pitch ,搅拌头旋转一周所前进的位移) ,会使材料在垂直方向上的混合加剧。基于流体力学理论,建立了FSW 焊缝金属塑性体流动的三维数学模型。模拟结果表明,前进边和回撤边的材料均从回撤边绕过搅拌针而流动;前进边中下部材料向下运动,回撤边材料向上运动。模拟结果与上述“标记嵌入技术”可视化试验结果吻合较好。对模拟结果分析发现,在一定的焊接工艺参数下,搅拌针周围粘度随着与搅拌针距离的增大而增大。在 0