2024铝合金搅拌摩擦焊管材塑性变形行为研究

摘要

航空航天领域结构轻量化的发展,对薄壁构件的需求越来越多,铝合金异形截面薄壁构件在飞机及航天器结构制造中的应用范围不断扩大。此类构件形状复杂,径厚比大,对管材尺寸和成形性能提出了新的要求。采用传统铝合金管材制造方法,很难获得大直径薄壁铝合金管材,因此迫切需要研发面向内高压成形的薄壁铝合金管材制造技术。为了解决该难题,本文提出了铝合金管材搅拌摩擦焊(FSW)旋压复合成形工艺。以2024铝合金为研究对象,揭示了FSW管材制备过程中组织演变规律与塑性变形行为,给出了螺旋焊缝管材内高压成形特征及壁厚分布规律,为解决薄壁铝合金管材制备及后续成形的难题提供新方法和理论依据。
　　采用FSW板材接头,研究了接头组织及塑性变形行为,获得了热处理对接头延伸率的影响规律。焊态接头组织性能差异,导致变形不均匀,延伸率下降44％。热处理可以改善接头变形均匀性,提高延伸率。接头延伸率随热处理温度升高,先增加后降低。300℃时,达到最高值,为焊态的1.6倍。
　　通过铝合金管材FSW旋压成形实验,给出了旋压减薄率对管材组织及力学性能的影响规律。结果表明:旋压对母材晶粒细化比焊缝更明显,减薄率达70%时,母材晶粒从200μm降至3.5μm。旋压减薄率越大,管材晶粒细化效果越显著,管材强度也越高。
　　通过热处理及自由胀形实验,揭示了加热温度对管材组织及胀形性能的影响规律。300℃时,旋态管材变形组织转变为细小等轴晶和大角度晶界的再结晶组织,焊缝晶粒约为1.7μm,母材晶粒约为4μm,管材组织均匀性显著改善。350-400℃时,管材晶粒异常长大,并沿厚度分层,外层晶粒为内层的4-6倍。管材膨胀率随温度升高,先增加后降低。300℃管材膨胀率最高,为旋态的2.1倍。热处理控制管材组织稳定性,决定了管材成形性能。
　　通过自由胀形实验,获得了焊缝强度匹配对FSW管材环向壁厚分布的影响规律。发现等组配管材距焊缝圆心角30°和180°母材壁厚减薄严重,最大减薄为20.6%,这与高组配管材壁厚分布规律类似;低组配管材,破裂于焊缝,最大减薄为23.7%,焊缝减薄明显高于母材。塑性理论分析表明:焊缝强度差异,导致高组配管材截面焊缝相邻及对向母材曲率半径较大,等效应力高于其他母材,从而壁厚减薄严重。
　　通过变径管内高压成形实验,获得了螺旋焊缝管材壁厚减薄规律。发现管材轴向壁厚减薄呈M形:距对称面1/4膨胀区长度处减薄严重,而两端及对称面减薄较小。管材环向壁厚减薄规律与自由胀形管材类似,但壁厚分布更均匀。这主要是通过预成形,使焊缝相邻母材先贴模,缓解过度减薄。
　　利用数值模拟,揭示了螺旋焊缝管材自由胀形时壁厚分布与应力状态的关系。发现FSW管材胀形时截面发生畸变。高组配时,焊缝相邻母材曲率半径大于其他母材,受到环向及轴向双拉应力较大,应变较高,壁厚减薄严重。低组配时,管材截面曲率半径分布与高组配相反,焊缝相邻母材受到环向及轴向双拉应力较小,应变较低,壁厚减薄较小。

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Contents

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2薄壁铝合金管材制造技术现状

1.3铝合金管材内高压成形的研究进展

1.4铝合金搅拌摩擦焊的研究进展

1.5课题研究的目的及意义

1.6本课题研究的主要内容

第2章 实验方法及研究方案

2.1引言

2.2实验过程

2.3 FSW研究方案

2.4变薄旋压研究方案

2.5热处理研究方案

2.6内高压成形研究方案

2.7分析测试方法

第3章 2024铝合金FSW板材接头组织演变及塑性变形规律

3.1引言

3.2 FSW板材接头组织性能演变规律

3.3 FSW板材接头力学性能

3.4 FSW板材接头塑性变形规律及力学分析

3.5热处理对FSW板材接头组织演变规律及力学性能影响

3.6热处理对FSW板材接头塑性变形规律的影响

3.7本章小结

第4章 2024铝合金FSW管材塑性变形行为及组织演变规律

4.1引言

4.2铝合金管材FSW与旋压复合成形工艺实验研究

4.3旋压减薄率对FSW管材组织及力学性能的影响规律

4.4热处理对FSW管材胀形性能及组织的影响规律

4.5本章小结

第5章 2024铝合金FSW管材内高压成形实验研究

5.1引言

5.2 FSW管材自由胀形几何形状变化规律

5.3 FSW管材自由胀形塑性变形规律

5.4 FSW管材自由胀形壁厚分布规律

5.5 FSW管材壁厚分布规律的机理分析

5.6螺旋焊缝变径管内高压成形实验研究

5.7本章小结

第6章 2024铝合金螺旋焊缝管材内高压成形过程应力状态分析

6.1引言

6.2数值模拟模型及方案

6.3螺旋焊缝管材自由胀形壁厚分布规律

6.4螺旋焊缝管材自由胀形应力状态分析

6.5螺旋焊缝变径管壁厚分布规律

6.6螺旋焊缝变径管应力状态分析

6.7本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其他成果

声明

致谢

个人简历