高强铝合金搅拌摩擦焊加筋板接头组织与疲劳性能研究

摘要

本文以高强铝合金为研究对象，采用搅拌摩擦焊技术获得了加筋板结构形式的焊接接头。研究了不同焊接参数下加筋板接头的组织及力学性能，并对接头的疲劳性能进行了测试，探索了不同加载应力对疲劳裂纹扩展行为的影响。
　　研究发现，加筋板接头的不同区域表现出与母材在组织和性能上的差异性。接头的焊核区因发生动态再结晶而呈现细小晶粒组织：筋板由于受轴肩作用，轴肩产热较高，使得晶粒发生长大，其焊核区的晶粒尺寸要明显高于壁板焊核区的晶粒尺寸。加筋板接头的筋板和壁板表现出不同的硬度分布规律：筋板焊核区硬度值大于母材，而壁板的焊核区硬度值小于母材硬度值，这种差异的主要原因与晶粒细化和沉淀相的分布有关。在合适的焊接参数下，接头的抗拉强度可达到母材的90％左右，验证了FSW加筋板接头的可焊型。
　　疲劳试验表明：不同的焊接参数下加筋板接头存在明显的差异性。在规定循环次数 N=2×106时的疲劳强度为条件疲劳强度时，焊接参数为600-120、600-200、800-200的对应试样95%存活率的疲劳强度特征值分别为122.8MPa、113.7MPa、71.9MPa。母材的对应试样95%存活率的疲劳强度特征值为140MPa，对于焊接参数600-120的接头而言，其疲劳强度可达到母材的87.7%。由于接头形式所形成的迁移界面，直接影响着接头的疲劳性能。迁移界面的存在使得界面尖端应力集中，且尖端越尖锐，应力集中越严重，应力的集中导致疲劳裂纹的萌生和扩展，进而影响接头的疲劳寿命。
　　7075铝合金 FSW加筋板接头在不同应力水平下循环加载的加工硬化效果不同，高应力下的加工硬化效应要明显强于低应力的加工硬化效应。接头不同组织对加工硬化的敏感性不同，焊核区的硬化效应最显著。低应力下疲劳裂纹起始于壁板前进侧迁移界面处并沿软化区扩展，接头的裂纹扩展区能明显看到疲劳辉纹。高应力下由于焊核区两侧的组织和性能不同而产生应力集中，因此沿焊核区和热影响区边界扩展。与低应力相比，高应力条件下疲劳裂纹扩展区所占疲劳断口的面积变小，而瞬断区变大。

目录

声明

第1章绪 论

1.1 课题背景

1.2加筋板结构的研究现状

1.3 铝合金的搅拌摩擦焊接的研究现状

1.4 本论文的主要研究内容及意义

第2章 试验方案及分析方法

2.1 焊接试验材料

2.2 分析与测试

2.3 本章小结

第3章 铝合金FSW加筋板接头的组织及力学性能

3.1 不同焊接参数下加筋板接头组织分析

3.2 硬度分布

3.3 拉伸性能

3.4 本章小结

第4章 铝合金FSW加筋板接头的疲劳性能

4.1 疲劳试验数据

4.2试验数据处理方法及结果

4.3迁移界面对接头疲劳性能的影响

4.4 本章小结

第5章 铝合金FSW加筋板接头的疲劳断裂行为

5.1 不同应力水平下的加工硬化行为

5.2 不同应力水平下的断裂行为

5.3 断口观察

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢