附加超声能量对FSW焊核区微观组织演变与应变分量的影响机制

摘要

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相连接技术，已经逐渐发展成为铝合金焊接的主要工艺方法之一。但是，传统的FSW存在焊接载荷大、搅拌头易磨损、工艺窗口窄等问题。为解决这些问题，利用超声振动对塑性变形材料的软化作用，研发了一种在搅拌头前方以一定角度直接将超声振动能量施加在待焊工件上的FSW改型新工艺，即超声振动强化搅拌摩擦焊接(UVeFSW-Ultrasonic Vibration enhanced FSW)。前期实验研究已经证明了UVeFSW具有降低焊接载荷和改善焊接质量的工艺效果。通过开展工艺实验深入考察和研究附加超声振动对焊接工艺过程和接头质量的影响机制，尤其是附加超声振动对焊核区微观组织特征和再结晶过程的作用机理，对于促进UVeFSW工艺的发展和应用以及提高搅拌摩擦焊接成形制造水平，具有重要的理论意义和工程实用价值。 首先，开展了6061-T6和2024-T3铝合金板的UVeFSW焊接工艺试验，实现了工艺参数的优化和匹配，对比分析了超声振动对焊接过程参量、接头质量以及材料流动的影响规律。结果表明，施加超声振动后，能够在一定程度上降低焊接载荷，改善焊缝成形质量，扩大焊接工艺窗口，提高焊接效率。超声能量改善了焊接过程中的材料流动，扩大了焊核区(变形区)的尺寸，并提高了接头的力学性能。 在此基础上，借助背散射电子衍射(EBSD)技术对接头焊核区的显微组织进行了表征。研究了6061-T6铝合金焊核区横截面以及纵截面焊缝中心轴线(WCA)和焊核区边缘(WNE)处不同位置的晶粒组织，对比分析了FSW和UVeFSW工艺条件下焊核区内晶粒尺寸、晶粒取向以及再结晶过程的变化情况。同时，研究了2024-T3铝合金焊核区横截面沿水平方向连续区域内的晶粒组织，并采用“急停”技术，进一步研究了匙孔附近的晶粒组织演变，分析了超声能量对于焊接过程中不同塑性状态下的材料的影响。结果表明，施加超声后使得焊核区晶粒发生细化并且改变了晶粒取向。超声能量改善了焊核区再结晶过程，使得再结晶过程进行得更加彻底。综合考虑了超声能量对FSW接头材料形变以及焊核区不同位置晶粒组织的作用规律，推测了超声能量在工件中的分布情况，发现在焊核区的中心位置超声作用效果最大，焊核区周边的超声作用效果逐渐减弱。 随后，基于EBSD技术，提出了一种研究FSW接头焊核区微观组织演变过程中应变分量变化的新方法，引入特殊应变分量(SSC-Specific Strain Component)，从应变的角度分析了超声能量对焊核区晶粒细化的影响。结果表明，焊核区不同位置的应变不同，施加超声振动后增大了焊核区相对应区域的应变值，超声存在时晶粒细化对应变的依赖增强。 此外，开展了UVeFSW的搭接工艺试验，重点研究了超声能量对焊接载荷、搭接界面缺陷以及接头失效机制的影响。发现在不同的工件连接方式以及超声传递路径发生变化的条件下，超声能量对于改善焊接过程和接头质量仍具有重要的作用，证实了UVeFSW焊接工艺的适用性。

目录

声明

摘要

第1章前言

1．1研究目的及意义

1．2搅拌摩擦焊工艺的研究现状

1．2．1搅拌摩擦焊工艺原理

1．2．2焊接载荷

1．2．3材料流动

1．2．4应变及应变速率

1．3搅拌摩擦焊接头的组织与性能

1．3．1显微组织

1．3．2析出相

1．3．3接头力学性能

1．4热源辅助搅拌摩擦焊接

1．4．1激光辅助搅拌摩擦焊接

1．4．2电弧辅助搅拌摩擦焊接

1．4．3电流辅助搅拌摩擦焊接

1．4．4感应加热辅助搅拌摩擦焊接

1．5超声辅助搅拌摩擦焊接的研究现状

1．5．1超声振动间接旅加于工件

1．5．2超声振动直接施加于工件

1．6目前研究存在的主要问题

1．7本文的主要研究内容

第2章超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验

2．1 UVeFSW焊接设备与工作原理

2．2焊接试验条件

2．3超声对焊缝成形的影响

2．4超声对焊接载荷的影响

2．5超声对接头显微硬度的影响

2．6超声对接头拉伸性能的影响

2．7超声对焊核区材料流动的影响

2．8本章小结

第3章超声对焊核区微观组织的影响

3．1．1 EBSD测试位置

3．1．2沿焊核区中心轴线(WCA)不同深度处的晶粒组织

3．1．3焊核区边缘处(WNE)不同位置的晶粒组织

3．2 AA6061-T6焊核区纵截面晶粒组织

3．2．1 EBSD测试位置

3．2．2纵截面上沿WCA不同深度处的晶粒组织

3．2．3纵截面上WNE处不同位置的晶粒组织

3．3超声能量对AA6061-T6焊核区再结晶行为的影响

3．4 AA2024-T3焊核区横截面晶粒组织

3．4．1 EBSD测试位置

3．4．2焊核区连续区域的晶粒组织

3．4．3焊核区平均晶粒尺寸

3．5 AA2024-T3匙孔附近的晶粒组织演变

3．5．1搅拌针前方附近区域的晶粒组织

3．5．2搅拌针后方附近区域的晶粒组织

3．5．3搅拌头后方区域的晶粒组织

3．6超声能量对AA2024-T3焊核区第二相的影响

3．7超声能量在工件中的分布

3．8本章小结

第4章超声对焊核区应变分量的影响

4．1基于EBSD的应变分布图构建

4．2无其他影响因素时晶粒组织演变对应变的依赖

4．2．1 WCA处“中间过程”晶粒组织的应变分量

4．2．2 WNE处“中间过程”晶粒组织的应变分量

4．2．3 WCA处最终晶粒组织的应变分量

4．2．4 WNE处最终晶粒组织的应变分量

4．3有其他影响因素时晶粒组织演变对应变的依赖

4．3．1特殊应变分量(SSC)的定义

4．3．2 WCA处的SSC值变化

4．3．3 WNE处的SSC值变化

4．4本章小结

第5章超声振动强化搅拌摩擦焊的搭接工艺试验

5．1搭接工艺试验

5．2焊接载荷

5．3焊缝成形

5．4显微硬度

5．5剪切拉伸性能

5．6材料流动

5．7本章小结

6．1结论

6．2展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目