铝合金双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头设计、接头组织和性能研究

摘要

双轴肩搅拌摩擦焊技术(Bobbin Tool Friction Stir Welding, BTFSW)作为搅拌摩擦焊领域的拓展技术，利用下轴肩代替背部刚性垫板，大大减小了垂直方向上的锻压力，降低了装夹要求及夹具成本，同时消除了根部未焊透问题。因此在工程实践中有很高的应用价值。
　　本文针对4mm厚6061-T6铝合金设计了不同的轴肩形貌及搅拌针形貌，并进行双轴肩搅拌摩擦焊试验，研究了搅拌头形貌和焊接工艺参数对接头成形及抗拉强度的影响。分析了双轴肩搅拌摩擦焊接头各区域组织特点，并总结接头中容易出现的缺陷类型及缺陷对接头抗拉强度的影响。主要的研究成果如下：
　　在搅拌头为平面轴肩和圆柱形搅拌针不变的情况下，焊接接头随着上轴肩下压量的减小，接头上表面飞边量先减小后增加，下表面飞边量逐渐增加；随着旋转速度的增加，接头表面易出现鱼鳞纹且逐渐由不均匀变得均匀；随着焊接速度增加，焊接接头上表面后退侧飞边从无到有，且飞边量增加；同时上下表面接头鱼鳞纹逐渐变得均匀。
　　根据双轴肩搅拌摩擦焊接头中微观组织特点，接头可分为母材区(BM)、热影响区(HAZ)、热力影响区(TAMZ)及焊核区(WNZ)四个区域，其中焊核区为等轴晶粒，热力影响区晶粒为发生塑性变形的板条状晶粒，热影响区为发生粗化的板条状晶粒。
　　通过正交试验发现各因素对接头宏观形貌影响的主次顺序依次为：轴肩形貌、旋转速度、轴肩下压量、搅拌针形貌、焊接速度。各因素对接头抗拉强度影响的主次顺序依次为：轴肩下压量、轴肩形貌、搅拌针形貌、旋转速度、焊接速度。焊接头容易出现的缺陷类型分别为孔洞缺陷、弱结合缺陷、S线缺陷；其中孔洞缺陷易出现在前进侧WNZ与TMAZ交界处和WNZ偏向后退侧区域，弱结合缺陷易出现在前进侧WNZ与TMAZ交界处，S线缺陷易出现在WNZ偏向后退侧区域。通过对比发现接头中 S线缺陷区域的冶金结合程度不同，如果该区域冶金结合程度较差，则可能会影响接头的抗拉强度，如果该区域的冶金结合程度较好，则对接头的抗拉强度没有影响。另外S线缺陷的形状也会影响接头的抗拉强度。
　　正交试验优化结果表明：当搅拌头形貌为内凹带螺旋凹槽轴肩形貌和三平面带右螺纹搅拌针形貌，工艺参数为上轴肩下压量0.05mm，下轴肩下压量0.15mm，焊接速度120mm·min-1，旋转速度520r·min-1时焊接接头抗拉强度最高，接头抗拉强度为230.36 MPa。

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究的目的及意义

1.2 双轴肩搅拌摩擦焊原理

1.3 双轴肩搅拌摩擦焊研究现状

1.4 研究内容

第2章 试验条件和方法

2.1 试验材料及搅拌摩擦焊设备

2.2 试验方法

第3章 搅拌头设计

3.1 搅拌头材料的选择

3.2 轴肩形貌设计

3.3 搅拌针形貌设计

3.4 搅拌头的结构尺寸

3.5 本章小结

第4章 工艺参数对接头成形的影响

4.1 工艺参数对接头表面宏观形貌的影响

4.2工艺参数对接头横截面形貌的影响

4.3 双轴肩搅拌摩擦焊接头组织特点

4.4 工艺参数对接头热力影响区的影响

4.5 本章小结

第5章 搅拌头形貌及工艺参数对接头宏观形貌及性能的影响

5.1 搅拌头形貌及工艺参数对接头宏观形貌的影响

5.2 搅拌头形貌及工艺参数对接头力学性能的影响

5.3 接头横截面形貌分析

5.4 接头缺陷分析

5.5 焊核区微观组织观察

5.6 最佳工艺方案

5.7 本章小结

第6章 结论

参考文献

硕士学位期间发表的学术论文

致谢

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