高强铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺及机理研究

摘要

双轴肩搅拌摩擦焊技术(Bobbin Tool Friction Stir Weding:BT-FSW)作为一种新焊接方法，是对常规搅拌摩擦焊接技术(Friction Stir Weding:FSW)的一种补充，其焊接技术在船舶带筋板、列车空调板、火箭燃料贮箱、飞机壁板等制造领域具有重要应用背景。然而，对于薄板2024-T3高强铝合金的BT-FSW研究几乎没有，尚属于起步阶段，且由于双轴肩设备控制及工艺的特殊性，极易出现焊接缺陷等问题，这些极大制约了BT-FSW在航空航天、高速列车、船舶军舰等领域的广泛应用。同时也将严重制约BT-FSW焊接工艺评定标准建立和完善。因此，本研究采用3mm薄板2024-T3高强铝合金的BT-FSW接头为研究对象，利用各种试验方法系统研究了BT-FSW焊接工具设计对焊接受力、接头温度、组织与性能的影响，深入探讨了薄板高强铝合金BT-FSW特征及工艺改进技术。研究成果为BT-FSW接头质量控制、接头性能评价、搅拌工具结构设计提供理论指导和数据支撑。本文主要研究内容和结果如下:
　　根据BT-FSW特征，利用浮动式BT-FSW专用设备，通过比较6种不同形式的搅拌工具，提出轴肩形式为同心圆环，轴肩搅拌针部分铣有三平面有利于焊接过程中材料的流动，焊缝易成型。经优化后的搅拌工具为非对称轴肩BT-FSW搅拌工具，显著提高了薄板2024高强铝合金焊接稳定性，抗拉强度可达394MPa，其强度可达母材81％。
　　针对3mm薄板2024-T3高强铝合金，采用对称与非对称轴肩的BT-FSW搅拌工具焊接高强铝合金，分析了BT-FSW焊接过程前进侧和后退侧前进抗力、扭矩力及接头前进温度场分布相互关系。结果表明:对称轴肩BT-FSW和非对称轴肩BT-FSW在转速不变的焊接过程中，随着焊接速度的增加，搅拌工具的扭矩力并未随之增加，而是峰值基本相同，均处于一个相对稳定的振荡幅度内。同时在测温过程中，相同焊接参数条件下，随着焊速的增加，焊缝下轴肩作用区的峰值温度温度高于上轴肩、相同位置特征点后退侧温度高于前进侧，且下轴肩的后退侧温度也要高于上轴肩的后退侧温度。相比对称轴肩BT-FSW搅拌工具，非对称轴肩BT-FSW搅拌工具的扭矩峰值减小，峰值温度也有所减小，为深入研究2024-T3高强铝合金的BT-FSW特性奠定了基础。
　　通过固定的转速以及变化的焊速试验，揭示焊速对高强铝合金双轴肩搅拌摩擦焊拉伸以及断裂性能的行为。在BT-FSW试验中，随着焊接速度的增加，接头的抗拉强度、屈服强度均先增加后减少，其中在焊速200mm/min时，在非对称轴肩BT-FSW中，接头强度达到了最大值，可达母材81％，焊接速度显著影响了接头的力学性能，也为后续更好的描述BT-FSW接头特征奠定了基础。
　　基于理论和试验研究发现并揭示了BT-FSW接头微观组织、硬度及拉伸应变分布规律之间的关系。提出了利用对称轴肩和非对称轴肩比较，揭示了非对称BT-FSW接头在拉伸过程中应变分布规律，即阐明了在BT-FSW焊接过程中，非对称轴肩BT-FSW搅拌工具可以有效改变焊缝金属材料在垂直和水平方向的流动，使BT-FSW接头形状为明显非对称结构特征，显著提高了接头拉伸性能;阐明了非对称轴肩BT-FSW接头断裂前一帧拉伸试样上局部的主要应变应力分布呈倒“W”型分布，其峰间距比对称轴肩BT-FSW峰间距增大明显。优化后的非对称轴肩BT-FSW搅拌工具接头强度可达母材的81％，显著高于对称轴肩BT-FSW接头力学性能，性能最好接头断裂位置在前AS的HAZ。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 高强铝合金材料及其特性

1．2．1 高强铝合金特点

1．2．2 高强度铝合金的焊接特性

1．3 双轴肩搅拌摩擦焊技术的研究现状

1．3．1 揽拌摩擦焊技术研究现状

1．3．2 搅拌摩擦焊在航空领域的应用

1．3．3 双轴肩搅拌摩擦焊的特点

1．3．4 双轴肩搅拌摩擦焊的发展与应用

1．4 问题提出

1．5 本工作研究目的、意义及内容

1．5．1 研究目的及意义

1．5．2 技术路线

1．5．3 研究内容

第二章 试验方法

2．1 试验材料

2．2 焊接设备及参数

2．3 微观组织分析方法

2．3．1 金相组织分析

2．3．2 透射电镜分析

2．3．3 EBSD分析

2．4 力学性能测试

2．4．2 拉伸性能测试

2．4．3 应力场测量方法

2．5 初温度场测量方法

2．6 焊接过程力的测量

2．7 塑性金属流动示踪法

第三章 高强铝合金BT-FSW工具优化设计研究

3．1 引言

3．2 双轴肩搅拌头的特征及设计研究

3．2．1 轴肩尺寸及形貌对BT-FSW焊缝成形性的影响

3．2．2 BT-FSW搅拌针对焊缝成形性的影响

3．2．3 工艺参数对焊缝成形的影响

3．3 典型BT-FSW搅拌工具对高强铝合金焊缝成形性的影响

3．3．1 对称轴肩BT-FSW搅拌工具(1#搅拌工具)

3．3．2 对称轴肩BT-FSW搅拌工具(2#搅拌工具)

3．3．3 非对称BT-FSW搅拌工具(5#搅拌工具)

3．4 本章小结

第四章 高强铝合金BT-FSW典型组织与性能研究

4．1 引言

4．2 高强铝合金BT-FSW接头微观组织

4．2．1 焊缝形貌特征

4．2．2 微观组织特征

4．2．3 强化相析出特征

4．3 高强铝合金BT-FSW接头力学性能

4．3．1 硬度分布

4．3．2 拉伸性能

4．3．3 拉伸断口分析

4．4 非对称轴肩高强铝合金BT-FSW

4．5 本章小结

5．1 引言

5．2 高强铝合金BT-FSW搅拌工具受力的影响研究

5．2．1 对称轴肩BT-FSW接头前进阻力影响研究

5．2．2 对称轴肩BT-FSW接头扭矩力影响研究

5．2．3 非对称轴肩BT-FSW接头前进阻力影响研究

5．2．4 非对称轴肩BT-FSW接头扭矩力影响研究

5．3 高强铝合金2024-T3的BT-FSW接头温度场分布研究

5．3．1 对称轴肩BT-FSW接头的温度场分布规律

5．3．2 非对称轴肩BT-FSW接头的温度场分布规律

5．4 高强铝合金2024-T3的BT-FSW接头的流动行为研究

5．4．1 示踪材料水平安放于两板之间时对应的流场实验

5．4．2 示踪材料垂直嵌入铝合金板时对应的流场特征

5．5 本章小结

第六章 高强铝合金BT-FSW接头的全局和局部应变分布研究

6．1 引言

6．2 BT-FSW接头整体拉伸应力-应变

6．3 BT-FSW接头拉伸性能

6．4 BT-FSW接头局部拉伸应力-应变

6．5 BT-FSW接头显微硬度

6．6 BT-FSW接头微观断裂机理

6．7 本章小结

第七章 论文结论与创新

7．1 主要研究结论

7．2 论文的主要创新与贡献

参考文献

致谢

发表的学术论文

发表的专利