钢螺柱-铝板异种材料摩擦螺柱焊工艺和装置研究

摘要

针对钢-铝异种材料螺柱焊易出现缺陷、熔化焊难以实现以及钎焊接头强度低等问题，开展了钢螺柱-铝板异种材料摩擦螺柱焊接工艺研究。钢-铝异种材料焊接易出现金属间化合物，金属间化合物层厚度难以控制，因此焊接接头较脆，很难满足要求。
　　根据焊接试验数据，对摩擦螺柱焊接装置进行了设计，设计内容包括:机械系统、旋转夹具和信号采集系统。设计制造的装置能够实现旋转夹具夹紧力大、焊接过程中不打滑;工作台满足了螺柱与棒材或螺柱与板材的焊接需求，并且能够实现同一块板材上有位置要求的多个螺柱的焊接;焊接压力参数能够实时采集、显示、存储。装置运行稳定、焊接效率高、使用方便，满足了摩擦螺柱焊接工艺研究的需求。
　　本论文主要针对45钢螺柱和6061铝合金，采用连续驱动摩擦焊机进行焊接工艺试验。通过对焊接接头的外观图分析、焊接接头缩短量的分析、单向静载拉伸实验、微观组织分析、能谱分析和断口分析等，讨论钢螺柱-模拟铝板摩擦螺柱焊接性能、钢螺柱-铝板摩擦螺柱焊接性能。研究表明，45钢螺柱和6061铝合金在最优焊接参数下具有较好的摩擦焊接性，焊接接头中焊缝区产生晶粒细化，在焊缝区发生一定程度的元素扩散，微观断口存在大量韧窝，为韧性断裂。而且工件转速为1600r/min，摩擦压力为117.2MPa，摩擦时间为3s，项锻力为312.5MPa，顶锻压力保持时间为4s是最优工艺参数，此时得到的接头抗拉强度达到168.3MPa。研究不同螺柱形状对焊接接头力学性能的影响，得到最佳接头形状以及塑性金属流动与螺柱形状的关系。
　　钢螺柱-铝板摩擦螺柱焊接工艺研究显示，在合理的焊接工艺参数下，能够实现钢螺柱-铝板异种材料之间的焊接，焊接接头的组织良好、晶粒细化、力学性能达到要求。本研究为钢螺柱-铝板异种材料的焊接提供了可参考的数据，有助于钢-铝合金异种材料的进一步研究。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 螺柱焊的产生与发展

1．2．1 螺柱焊的概述

1．2．2 螺柱焊的发展与应用

1．3 摩擦焊概述

1．3．1 摩擦焊的产生与发展

1．3．2 摩擦焊特点及应用

1．4 异种材料焊接的特点和应用

1．4．1 钢与铝的焊接性

1．4．2 钢与铝材料的结构特点及应用

1．5 课题研究内容

1．6 研究方案

2 实验设备简介

2．1 摩擦焊接试验设备

2．2 万能拉伸试验机

2．3 扫描电镜

3 摩擦螺柱焊接装置设计

3．1 摩擦螺柱焊接装置简介及设计要求

3．2 焊接装置机械系统设计

3．2．1 焊接装置机械系统及功能概述

3．2．2 焊接工作台设计

3．2．3 旋转夹具的设计

3．3 摩擦螺柱焊接装置控制系统设计

3．3．1 焊接装置控制系统概述

3．3．2 信号采集装置的设计

3．4 本章小结

4 钢螺柱-模拟铝板摩擦螺柱焊接工艺研究

4．1 试验材料

4．2 焊接工艺试验设计及过程

4．2．1 焊接试验设计

4．2．2 摩擦焊接工艺过程

4．3 焊接接头宏观分析

4．4 力学性能试验

4．5 电镜扫描分析

4．6 金相组织分析

4．7 本章小结

5 钢螺柱-铝板摩擦螺柱焊接工艺研究

5．1 焊接试验准备

5．1．1 试验材料

5．1．2 钢螺柱-铝合金板材的焊接性分析

5．2 焊接试验设计

5．3 焊接接头宏观分析

5．4 力学性能测试

5．5 扫描电镜分析

5．6 显微硬度分析

5．7 金相组织分析

5．8 本章小结

6 螺柱结构形状对焊接接头力学性能影响分析

6．1 焊接试验设计

6．2 嵌入深度对接头性能的影响

6．3 压力与元素扩散之间的关系

6．4 本章小结

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