7075铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能评定和缺陷分析的研究

摘要

搅拌摩擦焊(FSW)作为一种固相焊接技术在铝及其合金的焊接方面显示出了巨大的优势。深入研究各种工艺参数、焊接缺陷、组织结构及接头温度场分布等因素对搅拌摩擦焊疲劳强度及寿命的影响规律，将为推广和应用这种技术、建立合理有效的疲劳评定规范提供重要依据。 本文通过对7075搅拌摩擦焊接头各个分区进行金相和硬度实验，结果表明：在该焊接工艺参数下焊缝区域得到比母材更细小的再结晶晶粒，硬度的变化与接头微观组织的变化趁势一致，焊缝中心得到了仅次于母材的较高硬度值，最低硬度值发生在热影响区，在热影响区与热机影响区的交界处硬度迅速下降。 本文对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行了力学性能实验，拉伸实验结果表明断裂位置均发生在焊缝中心与热影响区的交界处软化区或热影响区，焊接接头的抗拉强度达到了母材的88％；疲劳裂纹扩展速率实验结果表明7075铝合金搅拌摩擦焊接头热影响区和焊缝中心的疲劳裂纹扩展速率da/dN在整个疲劳过程中都高于母材的的裂纹扩展速率da/dN，这种差别在高的应力强度因子幅值AK时表现优为明显；疲劳S-N试验结果表明7075铝合金搅拌摩擦焊接头取得了比同级别熔焊接头更高的疲劳性能。 通过分析FSW产热过程和热输入基本分布情况建立了传热分析的有限元模型，计算和分析表明焊接过程中焊缝中心表面温度在437℃～490℃之间变化，搅拌头前方温度场梯度较小，后方温度场梯度较大；焊接温度场趋于稳态时焊缝中心的温度在470℃～490℃范围内变化，热影响区的温度在335℃～385℃范围内变化，焊缝前进侧温度比焊缝后退侧温度平均低10℃左右，焊缝表面与底面的温度差为15℃左右。 通过对航空铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷进行的分析表明，在长寿命区域焊缝表面的旋转加工痕迹往往是疲劳裂纹产生的根源，焊缝连接处的飞边缺陷将会对接头疲劳性能产生明显影响；“洋葱皮”缺陷为两个起始裂纹提供了轻松连接的渠道，从而影响了试样的整体疲劳寿命，同时它们对FSW接头的断裂韧性有一定影响；焊缝中心处残留氧化物所形成的“Z”字形缺陷会明显降低搅拌摩擦焊接头疲劳性能，该缺陷是焊件表面和对接面上氧化物在搅拌头的搅拌剪切作用下形成的。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1选题背景及意义

1.2.国内外摩擦焊技术的发展概况

1.3摩擦焊技术原理

1.3.1传统摩擦焊的原理

1.3.2搅拌摩擦焊原理

1.4搅拌摩擦焊的优点

1.4.广泛的工艺适应性

1.4.2搅拌摩擦焊可以降低制造成本

1.4.3拌摩擦焊为新产品、新结构的设计提供了可能

1.4.4拌摩擦焊具有可靠的质量保证

1.4.5搅拌摩擦焊是一种安全的焊接方法

1.5搅拌摩擦焊工艺的发展现状

1.5.1搅拌头研究现状

1.5.2搅拌摩擦焊接工艺的研究现状

1.6搅拌摩擦焊接头疲劳行为研究现状

1.6.1 S-N曲线

1.6.2裂纹扩展速度和门槛值

1.6.3腐蚀环境下的裂纹扩展速度和门槛值

1.6.4存在的问题

1.7本文研究的主要内容

第二章7075铝合金焊接工艺的确定

2.1前言

2.2焊接工艺的确定

2.2.1 7075板材的规格和化学成分

2.2.27075铝合金搅拌摩擦焊接参数

2.3焊接接头的显微组织观察

2.3.1金相实验程序

2.3.2 7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织分析

2.4硬度实验及分析

2.5本章小结

第三章7075铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳行为评定

3.1前言

3.2拉伸试验

3.3疲劳裂纹扩展速率实验

3.3.1试验内容

3.3.2试验原理及条件

3.3.3实验数据处理

3.3.4实验结果分析

3.4全寿命疲劳(S-N)实验

3.4.1疲劳实验内容

3.4.2疲劳试验结果

3.4.3绘制S-N曲线

3.4.4疲劳试验结果分析

3.5本章小结

第四章7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场模拟

4.1前言

4.2温度场计算的基本理论

4.2.1热传递方式

4.2.2温度场基本方程

4.2.3搅拌摩擦焊热源模型

4.2.4温度场有限元计算结果

4.3本章小结

第五章7075铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析

5.1前言

5.2搅拌摩擦焊接头缺陷的形成机理及对接头疲劳性能的影响

5.2.1飞边和表面半圆环状缺陷

5.2.2"洋葱皮环"缺陷

5.2.3焊缝残留氧化物缺陷

5.3本章小结

第六章全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致 谢