6061铝合金薄板无针搅拌摩擦焊工艺研究与微观组织分析

摘要

6000系铝合金作为性能优异且使用广泛的轻质合金材料，拥有成为汽车轻量化制造原材料的巨大潜力。然而6000系铝合金使用传统焊接方法难以获得优质的焊缝，铝合金薄板更是如此。因此对于6000系铝合金薄板连接技术的研究十分必要，近年来出现的一种名为无针搅拌摩擦焊的新型焊接技术能获得优质稳定的薄板铝合金焊缝，但目前缺少对于6000系铝合金薄板无针搅拌摩擦焊工艺的系统性研究。
　　本研究选择1mm厚6061-T6铝合金薄板作为焊接材料，使用无针FSW技术，针对影响接头性能的主要焊接参数包括:主轴转速、焊接速度、下压量设计实验方案，获得对焊与搭焊两种形式的焊缝。测试焊缝力学拉伸性能与横截面显微硬度;采用金相显微镜观察焊缝区缺陷;电子背散射衍射技术(EBSD)观察焊缝区域材料晶粒尺寸与形状;扫描电镜(SEM)观察分析拉伸断口形貌。主要结论如下:
　　6061铝合金薄板无针FSW对焊实验所获得的焊缝成形较为美观。焊缝抗拉强度随焊接速度的增加呈现先升后降的趋势，峰值为198MPa，达到母材的73.4％。延伸率随主轴转速的升高而变大，最大值为20％。下压量对焊缝抗拉强度有一定影响，本研究中最优下压量为0.1mm。自然时效能够有效提升焊缝的力学拉伸性能。焊缝横截面显微硬度分布为“W”形或“一”字形，抗拉强度高的焊缝显微硬度最小值更大。拉伸试样断裂位置基本位于焊缝中心处。光学显微观察结果显示焊缝背部没有未焊透缺陷。本研究最佳对焊工艺方案为:主轴转速1500rpm，焊接速度300mm/min，下压量0.1mm，焊后自然时效一周以上。
　　6061铝合金薄板无针FSW搭焊焊缝外观无明显缺陷，焊缝力学拉伸性能随焊接速度升高为先升后降的趋势，最大值为199.5MPa，达到母材的73.9％。焊缝横截面显微硬度测试结果表明，无针FSW搭焊接头上、下板显微硬度为“W”或“一”字形分布;上板硬度下降区域大于下板;力学拉伸性能好的无针FSW搭焊接头显微硬度最小值更大。拉伸试样断裂于上板后退侧热影响区。光学显微观察结果显示，力学拉伸性能好的焊缝上、下板之间的融合区域更宽，高转速的焊缝前进侧容易出现Hook缺陷。最优工艺参数为:主轴转速1500rpm，焊接速度300mm/min，下压量0.1mm。
　　采用EBSD观察性能最好的无针FSW对焊与搭焊焊缝，发现对焊与搭焊焊缝上板焊缝中心位置的组织是经历剧烈塑性变形后的细小等轴晶，热机影响区同时受塑性变形与热循环作用，晶粒大小不均匀，热影响区只受热循环作用，晶粒最大;搭焊焊缝下板都是受热长大的粗大晶粒。从拉伸断口的SEM结果来看，高延伸率对焊焊缝为韧性拉伸断裂，搭焊焊缝都为脆性断裂。

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摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 搅拌摩擦焊介绍

1．3 国内外研究现状现状

1．4 研究内容

第二章 实验材料、方案与设备

2．1 实验材料

2．2 FSW焊接设备与搅拌头

2．3 FSW焊接实验

2．3．1 焊接试样准备

2．3．2 焊接方案

2．3．3 焊接实验

2．4 力学性能测试实验

2．4．1 拉伸强度实验

2．4．2 显微硬度实验

2．5 微观组织观察实验

2．5．1 光学显微组织观察

2．5．2 EBSD组织及织构观察

2．5．3 断口形貌观察

第三章 6061铝合金薄板无针FSW焊接对焊接头性能研究

3．1 焊缝宏观形貌

3．1．2 主轴转速ω对焊缝宏观形貌的影响

3．2 焊接参数对力学性能的影响

3．2．1 抗拉强度σb

3．2．2 延伸率δ

3．2．3 断裂位置

3．2．4 显微硬度分布

3．3 焊接缺陷

3．4 焊接工艺优化

3．4．1 主成份分析法

3．4．2 主成份分析法确定最佳参数

3．5 本章小结

第四章 6061铝合金无针FSW焊接搭焊接头性能研究

4．1 焊缝宏观形貌

4．1．2 主轴转速ω对焊缝宏观形貌的影响

4．2 焊接参数对力学性能的影响

4．2．1 拉伸力学性能

4．2．2 断裂位置

4．2．3 显微硬度分布

4．3 焊接缺陷

4．4 本章小结

5．1 显微组织分析

5．1．1 对焊接头显微组织

5．1．2 搭焊接头显微组织

5．2 拉伸断口分析

5．2．1 对焊接头拉伸断口SEM分析

5．2．2 搭焊接头拉伸断口SEM分析

5．3 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果