2219鋁合金差速攪拌摩擦焊接特征及接頭組織性能研究.pdf

1、作為固相連接方法，攪拌摩擦焊(FSW)有效解決了高強(qiáng)鋁合金采用傳統(tǒng)熔焊難焊的問題，在航空航天、軌道車輛、船舶制造等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。對(duì)于高強(qiáng)鋁合金，F(xiàn)SW熱循環(huán)足以造成起主要強(qiáng)化作用的沉淀相的改變從而導(dǎo)致接頭性能的降低。目前，主要通過焊后熱處理和強(qiáng)制冷卻進(jìn)一步提高FSW的接頭性能，但是對(duì)于大型鋁合金構(gòu)件均受到限制。因此，本文提出差速FSW以降低熱循環(huán)對(duì)材料的熱軟化作用，最終實(shí)現(xiàn)改善接頭微觀組織、提高接頭性能的目的。
　　根據(jù)高強(qiáng)鋁合

2、金差速FSW的特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)了差速FSW焊具，為深入研究高強(qiáng)鋁合金的差速FSW奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)輔助軸肩轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為靜止軸肩FSW；在靜止軸肩FSW焊具的基礎(chǔ)上，加入輔助軸肩的驅(qū)動(dòng)組件，通過雙伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)以齒輪嚙合的傳動(dòng)方式，即實(shí)現(xiàn)輔助軸肩轉(zhuǎn)速不為零的差速FSW。更換不同厚度的輔助軸肩端蓋，可以完成在不同相對(duì)下壓量下的差速FSW。應(yīng)用設(shè)計(jì)的靜止軸肩FSW和差速FSW焊具，獲得了良好的焊縫成形。
　　對(duì)于靜止軸肩FSW，靜止軸肩能有

3、效防止飛邊及孔洞缺陷的形成，因而與無靜止軸肩的小尺寸軸肩 FSW相比顯著拓寬了能獲得良好焊縫成形的工藝區(qū)間。2219-T6鋁合金“內(nèi)深外淺”靜止軸肩FSW接頭，僅在焊縫兩側(cè)形成明顯的刮擦區(qū)域，表明輔助軸肩并未對(duì)整個(gè)焊縫寬度起顯著作用；接頭抗拉強(qiáng)度僅達(dá)到307MPa，明顯低于常規(guī)FSW的最優(yōu)接頭性能?！皟?nèi)淺外深”靜止軸肩FSW獲得了更平整的焊縫表面成形，接頭抗拉強(qiáng)度與常規(guī)FSW接頭的最大抗拉強(qiáng)度相比顯著提高，達(dá)到354MPa。然而，靜止軸

4、肩的下壓量增大導(dǎo)致前進(jìn)阻力顯著增大，使得小尺寸凹形軸肩與輔助軸肩摩擦增大，對(duì)焊接過程和焊具不利。
　　為了獲得高性能的焊接接頭，需要保持小尺寸軸肩與輔助軸肩之間“內(nèi)淺外深”的相對(duì)下壓量。因此，通過輔助軸肩轉(zhuǎn)速不為零的差速FSW以減小前進(jìn)阻力等焊接過程載荷，從而減小對(duì)焊接過程和焊具的不利影響。差速FSW中輔助軸肩對(duì)材料塑性流動(dòng)和塑性變形的作用局限在焊縫近表面層，因而顯著減小了接頭軟化區(qū)寬度和攪拌區(qū)內(nèi)顯微組織在板厚方向上的差異。同時(shí)，

5、同向差速FSW和逆向差速FSW均獲得了高于常規(guī)FSW最優(yōu)性能的焊接接頭。根據(jù)顯微硬度分布特征，差速FSW也有利于改善焊接接頭關(guān)于焊縫中心的非對(duì)稱性?；谟邢拊M，對(duì)常規(guī)FSW和差速FSW的溫度場進(jìn)行了研究并通過實(shí)測進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：差速FSW與常規(guī)FSW相比，溫度場的高溫區(qū)域更小，焊接接頭各區(qū)域的峰值溫度降低、高溫停留時(shí)間減短。對(duì)于逆向差速FSW，主軸轉(zhuǎn)速和輔助軸肩轉(zhuǎn)速對(duì)焊接接頭各區(qū)域的峰值溫度影響顯著，而焊接速度對(duì)高溫停留時(shí)間影響

6、顯著。根據(jù)溫度場模擬結(jié)果，按照網(wǎng)格劃分通過離散化方法計(jì)算焊接過程載荷。逆向差速 FSW的軸向壓力、前進(jìn)阻力和主軸扭矩與靜止軸肩FSW相比顯著降低，但是軸向壓力和前進(jìn)阻力與常規(guī) FSW相比略微增大而主軸扭矩和作用在工件上的總扭矩則顯著降低。輔助軸肩轉(zhuǎn)速對(duì)焊接過程載荷的影響顯著，也證實(shí)了通過逆向差速FSW降低焊接載荷的有效性和可行性。
　　深入研究逆向差速FSW接頭組織性能的演變規(guī)律，并實(shí)現(xiàn)了工藝參數(shù)的優(yōu)化。相比常規(guī)FSW和旨在提高接

7、頭性能的水浸FSW，逆向差速FSW顯著拓寬了能獲得良好焊縫成形和高性能接頭的工藝區(qū)間。接頭性能及拉伸斷裂位置取決于接頭各區(qū)域的微觀組織演變。熱影響區(qū)主要發(fā)生亞穩(wěn)相的粗化和部分向穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)變，并且粗化過程伴隨著小尺寸沉淀相的溶解。熱機(jī)影響區(qū)主要發(fā)生亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)變和向基體的溶解，沉淀相是以塊狀的穩(wěn)定相為主，但是低熱輸入量的條件下仍然殘留一定的亞穩(wěn)相。在高溫和大塑性變形的共同作用下，軸肩作用區(qū)(SAZ)和焊核區(qū)(WNZ)中原始亞穩(wěn)相基本

8、完全發(fā)生向穩(wěn)定相的轉(zhuǎn)變或向基體的溶解，但是SAZ中溶解程度更大、分布密度更低。在高熱輸入量(主軸轉(zhuǎn)速過大或焊接速度過低)的焊接條件下，SAZ內(nèi)也有少量亞穩(wěn)相在焊后冷卻過程中重新析出，該過程不僅與高溫停留時(shí)間有關(guān)，峰值溫度和塑性變形程度也起到重要的作用。但是，WNZ中并不存在亞穩(wěn)相的再析出。根據(jù)拉伸性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，采用基于Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)的響應(yīng)面法，建立抗拉強(qiáng)度與工藝參數(shù)間的二階響應(yīng)模型，得出R1075W225r5