超薄铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能及流动特征研究

摘要

铝合金本身密度小、比强度高的特性，被逐渐应用在汽车轻量化设计中，但是传统熔化焊焊接薄板铝合金焊接时容易出现变形、烧穿并且接头强度不高等问题。搅拌摩擦焊作为一种固相连接技术，在焊接铝、镁等有色金属时有明显的优势，但是采用搅拌摩擦焊技术焊接超薄铝合金在国内鲜有报道，本文采用搅拌摩擦焊对0.5mm厚6061-T4铝合金进行焊接，通过研究分析薄板铝合金的焊接特点，根据其特点设计适合于超薄板焊接的小针大轴肩式搅拌头，探索了合适的焊接参数，建立了工艺优化窗口，分析了焊接参数对接头表面成形、接头微观组织、力学性能和断口特征的影响，明晰了超薄板搅拌摩擦焊接头金属的流动行为。
　　搅拌摩擦焊技术应用于超薄板的焊接是一个全新的领域，超薄板焊接时存在母材易被撕裂、焊缝难以成形、接头强度难以保证和装卡精度要求高等问题，为了解决超薄板焊接的问题获得质量良好的接头，设计了搅拌针形状不同的大轴肩焊具用于超薄板的焊接，轴肩直径为6mm，内凹角为3°，搅拌针的形状为圆锥形，且为了增强搅拌作用，在圆锥形基础上等距离切出三条棱，对0.5mm厚6061-T4铝合金进行焊接。
　　研究表明焊接参数对接头表面成形有很大影响，合适的焊接参数下可以获得减薄量小于2％的接头。当转速高于1500rpm时可以获得表面成形良好的接头，周向存在平台的焊具在1500rpm时，焊接速度在500-800mm/min时获得的接头表面成形优于圆锥形搅拌头。分析了焊接参数与力学性能、断口形貌和缺陷类型的关系，采用周向存在平台的焊具，在1500rpm，500mm/min条件下，接头的抗拉强度和延伸率可以达到220.29MPa和11.65%，而且相比于圆锥形搅拌头，周向存在平台的焊具扩大了超薄板焊接的工艺窗口；焊接工艺参数在1500-1750rpm和300-500mm/min变化时，都能得到性能良好的接头；观察接头断口形貌，没有焊接缺陷接头的断裂方式均为韧性断裂。当焊速大于600mm/min或者转速低于1250rpm时，接头容易出现孔洞和底部未焊合缺陷，这主要是由于热输入不够，金属流动性差，容易出现缺陷。
　　为了研究超薄板焊接时接头的金属流动行为特征，此实验采用圆锥形搅拌头，在相同焊接参数条件下对0.5mm、1mm和2mm厚的铝合金进行焊接，从接头横截面、纵截面和水平面三个不同截面的四个位置进行对比分析，讨论了超薄板焊接时的金属流动特征，发现超薄板焊接时，塑性金属在厚度方向流动时受到轴肩和底部垫板的制约，金属流动以水平流动为主；焊接时焊接热输入易传到焊缝底部，整个轴肩下部金属都处于较高温度，焊核区内金属流动产生的粘滞力带动金属变形范围变大，轴肩对金属流动变形作用加强，搅拌针作用减弱。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 薄板铝合金焊接的研究现状

1.3 薄板焊接搅拌头研究现状

1.4 薄板铝合金搅拌摩擦焊金属流动特征研究

1.5 本文主要研究内容

第2章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.3 实验过程及分析方法

第3章 大轴肩焊具设计及可行性探索

3.1 大轴肩焊具设计

3.2 选择垫板材料

3.3 实验探索及结果

3.4 本章小结

第4章 超薄铝合金焊接接头组织及力学性能

4.1 接头表面成形

4.2 焊缝表面特征

4.3 焊接参数与接头宏观形貌

4.4 焊接参数与接头微观组织

4.5 焊接参数与接头力学性能

4.6 断裂特征分析

4.7 接头缺陷

4.8 本章小结

第5章 对比分析超薄板金属流动特征

5.1 引言

5.2 实验方案

5.3 实验结果分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢