铝/钢异种金属搅拌摩擦焊工艺及连接机制研究

摘要

本文采用搅拌摩擦焊技术，对厚度为4mm的5A06铝合金和厚度为2mm的316L不锈钢进行了搭接和对接焊接试验。针对普通对接接头容易出现的缺陷，引入了基于“差高-偏置”原理的改进型搅拌摩擦对接接头新型式，设计了铣削式圆柱状组合式搅拌头成功的对铝/钢异种金属进行了焊接。该改进型对接接头能够得到完整的铝/钢异种金属焊接接头，避免了普通对接接头中容易出现的焊接界面根部未焊透的缺陷，消除了焊接界面根部的Hook钩，同时也能降低搅拌头的磨损，增加了搅拌头的使用寿命。焊后，通过 OM、SEM、XRD和拉伸试验，显微硬度等方法对焊缝组织和性能进行了分析。
　　在铝/钢搭接焊接时，采用铝合金板上置方式，在合理的焊接工艺规范条件下，能够获得完整的铝/钢搅拌摩擦焊接接头。在铝/钢搭接焊接时，在焊接工艺规范为 n=1200r/min，v=60mm/min，△h=0.3mm时能够获得质量较好的焊接搭接接头，搭接接头的抗剪切力为6.71KN。此时，焊缝表面光滑，焊缝界面处有良好的结合，焊缝中没有孔洞等缺陷；焊核区界面处有较小的Hook钩，在搭接接头中形成了机械互锁结构，有利于搭接接头的连接。断口呈现出解理-韧窝复合断口形貌。
　　采用铝/钢改进型对接接头进行对接焊接时，当在焊接规范为 n=1500r/min，v=90mm/min，T=0.3mm时能够获得质量最好的焊接接头,接头强度达到了293MPa。由于改进型对接接头比较有效的控制了焊接过程中的热量，所以在界面处没有出现金属熔化现象，避免产生较多的金属间化合物。界面处形成厚度＜3μm的界面扩散层，实现了铝/钢异种金属的冶金结合。
　　在搅拌针的热-机械耦合作用下，焊缝中的塑性材料形成了良好的塑性流动，有焊缝中下部的环形流动和焊缝表面的水平流动。由于改进型的对接接头中搅拌针的微过量扎入，避免了焊缝根部容易出现的Hook钩，从而避免了焊缝中的应力集中现象，提高了焊缝的性能，使焊缝断口形貌呈现典型的韧性-解理复合断口形貌，以韧性断裂为主。

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第一章绪论

1.1课题研究背景

1.2搅拌摩擦焊研究简介

1.3异种金属的焊接

1.4铝/钢异种材料焊接研究进展

1.5本课题的研究内容、目的及意义

第二章实验材料、设备和方法

2.1实验材料

2.2实验设备和装置

2.3焊接实验工艺过程

第三章铝/钢搅拌摩擦搭接焊接

3.1搅拌摩擦搭接接头宏观成型性

3.2搅拌针扎入量对Hook钩形成及界面的影响

3.3铝/钢搅拌摩擦焊搭接接头力学性能分析

3.4本章小结

第四章铝/钢异种材料的搅拌摩擦焊对接接头焊接

4.1复合接头宏观成型性分析

4.2铝/钢接头微观结构分析

4.3焊接接头力学性能分析

4.4本章小结

第五章铝/钢异种材料搅拌摩擦焊中的连接机制研究

5.1搅拌摩擦焊接过程中的产热机制研究

5.2搅拌摩擦焊接过程中搅拌摩擦机械力行为

5.3搅拌摩擦焊接过程中界面连接

5.4本章小结

第六章结论与展望

参考文献

致谢

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