铝板-钢螺柱异种材料摩擦螺柱焊工艺研究

摘要

针对国内外对摩擦螺柱焊工艺研究甚少，铝螺柱寿命极短，及铝钢异种材料焊接困难，本文开展了铝板-钢螺柱异种材料摩擦螺柱焊工艺研究。对试样进行外观成形、拉伸性能、断口形貌、微观组织结构形貌、SEM及EDS分析，得出了铝钢摩擦螺柱焊基本特点。
　　同质铝合金摩擦螺柱焊工艺实验结果表明:转速、摩擦时间、顶锻力等参数对接头的飞边直径及次生摩擦界面层厚度影响很大;塑性断裂的次生摩擦界面区及其周围脆性断裂的弱结合区构成了接头的最薄弱环节;预热配合以合理的工艺参数可以极大程度增加塑性断裂区比例，甚至获得与母材等强的接头。
　　铝板/钢螺柱摩擦螺柱焊正交实验表明:最优参数组合为A2B1C1D2，即转速2100r/min，摩擦时间3s，顶锻力80MPa，工进速度0.2mm/s。因子A（转速）及因子B（摩擦时间）对强度指标影响并不显著，因子C（顶锻力）及因子D（进给速度）对强度指标影响较为显著。
　　不同端面结构的钢螺柱与铝板摩擦螺柱焊实验结果表明:接头最大承载力随端面直径的增加而增大;波浪形界面产生的机械“咬合”作用，结合冶金反应作用，改善了接头力学性能;大直径界面存在较大深度的Fe-Al相互扩散，且因Fe、C原子扩散能力高于Al原子，摩擦界面Al侧产生的C富集及富Al的Fe-Al金属间化合物是接头最薄弱环节，而非同质材料接头的次生摩擦界面层。
　　加中间层摩擦螺柱焊工艺实验结果表明:抗拉强度随中间层厚度的增加先增大后减小，最大提高了30％，到达母材铝的93％;加Cu中间层的接头分为BM-Fe、BM-Cu、TMAZ(IMC)、HAZ、BM-1060五个区域，界面层宽度沿径向由210μm逐渐增加至470μm; Cu中间层在挤压力及离心力作用下向四周显著流动，且其对Fe-Al中间相有显著的抑制作用。然而，TMAZ为100μm厚500HV的AlCu金属间化合物层，伴有断崖状微裂纹，结合界面处微观孔洞，成为接头最薄弱环节。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 技术难点

1．3 铝钢连接技术国内外研究进展

1．3．1 钎焊

1．3．2 熔焊

1．3．3 固相焊

1．4 摩擦螺柱焊技术国内外研究进展

1．4．1 摩擦螺柱焊基本原理

1．4．2 摩擦螺柱焊基本参数

1．5 研究目标、内容、路线

2 实验材料、设备及方法

2．1 实验材料

2．2 实验设备

2．2．1 焊接试验设备

2．2．2 接头性能检测设备

2．3 实验方法

2．3．1 焊前试样准备

2．3．2 焊接工艺试验

2．3．3 焊后接头性能分析

3 同质铝合金摩擦螺柱焊基础研究

3．1 实验方案

3．2 试验结果及分析

3．2．1 同质铝合金摩擦螺柱焊接头宏观性能分析

3．2．2 同质铝合金摩擦螺柱焊微观组织性能分析

3．3 本章小结

4 铝板-钢螺柱摩擦螺柱焊正交实验

4．1 正交实验设计基本概念

4．2 铝钢摩擦螺柱焊正交实验设计

4．3 实验结果和数据分析

4．3．1 试验结果极差分析

4．3．2 实验结果方差分析

4．4 本章小结

5 钢螺柱端面形状对铝钢摩擦螺柱焊接头性能的影响

5．1 基本理论分析

5．1．1 摩擦生热基本理论

5．1．2 元素扩散基本理论

5．2 开展实验

5．3 实验结果分析

5．3．1 铝钢摩擦螺柱焊接头宏观性能分析

5．3．2 铝钢摩擦螺柱焊接头微观组织分析

5．4 本章小结

6 中间层对铝钢摩擦螺柱焊接头性能的影响

6．1 开展实验

6．2 实验结果分析

6．2．1 中间层对接头力学性能的影响

6．2．2 中间层对接头微观组织性能的影响

6．3 本章小结

7 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况

攻读硕士学位期间参加的科学研究情况