發(fā)布時間：2020-06-17 09:54

【摘要】：由于力學性能和物理性能上的優(yōu)勢,鋁合金在航空航天、航海及軍工等方面的應用越來越廣,但不同行業(yè)對鋁合金性能要求的標準并不相同,傳統(tǒng)焊接方式也難以發(fā)揮鋁合金本身優(yōu)良的性能。攪拌摩擦焊(Friction stir welding FSW)獨特的工作原理使之特別適合于焊接鎂、鋁等低熔點金屬,發(fā)揮鋁合金本身優(yōu)良的性能。本文主要研究7A04鋁合金攪拌摩擦焊工藝及組織性能,以推動7000系鋁合金攪拌摩擦焊在軌道交通方面的應用性。軌道交通由于振動的循環(huán)性,除對材料強度、硬度有一定要求外,還對材料的加工性及疲勞性能要求比較高。本文主要研究內容包括探究3mm厚7A04鋁合金攪拌摩擦焊工藝,研究攪拌摩擦焊接頭常規(guī)力學性能、疲勞強度等;此外,試驗中在7A04鋁合金中加入釔(Y)元素,探究不同Y含量對7A04鋁合金顯微組織、力學性能等的影響。試驗結果表明,7A04鋁合金攪拌摩擦焊接頭焊核區(qū)晶粒同時經受攪拌頭攪拌作用和摩擦熱作用,發(fā)生動態(tài)再結晶,形成細小的等軸晶;熱機影響區(qū)晶粒處于攪拌頭軸肩邊緣,受摩擦熱作用小,未發(fā)生動態(tài)再結晶,晶粒被明顯拉長,尺寸較大;熱影響區(qū)晶粒未受到攪拌頭攪拌作用,只受到摩擦的熱作用,晶粒長大,是接頭中性能較差的區(qū)域。硬度試驗證明FSW接頭顯微硬度沿橫截面方向呈“W”分布,母材硬度值最高約170HV200g;焊核區(qū)顯微硬度略低于母材,但明顯高于熱機影響區(qū)和熱影響區(qū),達152HV200g;接頭中硬度值最低處位于前進側熱影響區(qū),硬度只有110HV200g。攪拌摩擦焊工藝試驗證明旋轉速度1000r/min,焊接速度120mm/min得到的攪拌摩擦焊接頭具有最高的抗拉強度452MPa,為母材抗拉強度的77.3%,伸長率也較高為4.24%。對旋轉速度1000r/min、焊接速度120mm/min接頭進行疲勞試驗,接頭疲勞強度為141MPa,斷口中存在韌窩,為韌性斷裂。接頭EBSD試驗中攪拌摩擦焊接頭熱影響區(qū)和熱機影響區(qū)小角度晶界比例達40%,遠高于母材和焊核區(qū)小角度晶界比例;通過極圖與反極圖可觀察到接頭各區(qū)織構強度不是很高,不存在明顯的方向性。在7A04鋁合金合金優(yōu)化試驗中,添加釔元素后,鑄態(tài)顯微晶粒明顯細化,抗拉強度有所升高,且隨釔元素含量增加,晶粒越來越細小,強度越來越高,在釔元素含量為0.25%時晶粒尺寸最小,抗拉強度最高。對含0.25%釔的7A04鋁合金進行攪拌摩擦焊,接頭強度低于未添加Y元素的7A04鋁合金攪拌摩擦焊接頭。試驗證明Y元素能細化晶粒,提高材料顯微硬度、抗拉強度等力學性能,但含釔元素材料不適合進行焊接或熱處理等加工。
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG453.9
【圖文】：

１．２攪拌摩擦焊的特點逡逑攪拌摩擦焊是英國焊接研宄所（ＴＷＩ）于２０世紀中期發(fā)明的一種新型的焊逡逑接方法，焊接示意圖如圖１．１。其原理是將攪拌頭旋轉著插入被焊零件，零件待逡逑焊區(qū)承受攪拌頭的摩擦熱處于熱塑性狀態(tài)，攪拌頭保持高速旋轉狀態(tài)沿被焊零逡逑件的待焊界面向前移動，帶動熱塑性狀態(tài)的材料環(huán)繞攪拌頭由前向后轉移，在熱逡逑－－機聯(lián)合作用下材料擴散連接形成致密的ＦＳＷ接頭。逡逑熱愾響逡逑姑影響區(qū)逡逑圖ｕ攪拌摩擦焊示意圖逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｓｋｅｔｃｈ邋ｍａｐ邋ｏｆ邋ｆｒｉｃｔｉｏｎ邋ｓｔｉｒ邋ｗｅｌｄｉｎｇ逡逑攪拌頭是攪拌摩擦焊的核心，在焊接過程中起著：加熱和軟化被焊材料、逡逑破碎和彌散母材表面的氧化物、使轉移后的熱塑性材料形成固相接頭的作用。鑒逡逑于攪拌頭有這些功能的實現(xiàn)，因此需要攪拌頭具有熱強性、耐磨性、抗蠕變性等逡逑優(yōu)良性能。在焊接過程中，軟化金屬的流動非常復雜，且受多種因素的影響，對逡逑于不同材料不同厚度的的焊接需要采用不同規(guī)格的攪拌頭。為滿足焊接需要，逡逑ＴＷＩ研制了多種形狀攪拌頭，如錐形螺紋攪拌頭、三槽錐形螺紋攪拌頭，不同逡逑形狀的攪拌頭可針對不同的焊接材料進行攪拌摩擦焊接ｔ２２

逡逑圖１．２船舶用寬幅鋁合金型材逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｗｉｄｅ邋ｗｉｄｔｈ邋ａｌｕｍｉｎｕｍ邋ａｌｌｏｙ邋ｐｒｏｆｉｌｅｓ邋ｆｏｒ邋ｓｈｉｐｓ逡逑Ａ．邋Ｋ邋ＬＮ，邋Ｂａｌａｓｕｂｒａｍａｎｉａｎ等［３０］發(fā)現(xiàn)ＡＮＮ模型能夠在他們己經訓練的范圍逡逑內很好地預測拉伸強度。當與響應表面模型相比時，ＡＮＮ模型在估計拉伸強度逡逑方面更加快速準確。Ｍ邋１１３１＾０￥３１１等［３１］則關于微觀組織和抗拉強度與攪拌針的關逡逑系進行了試驗。Ｓａｂａｒｉ邋Ｓ邋Ｓ，Ｍａｌａｒｖｉｚｈｉ邋Ｓ等嘗試了用水下攪拌摩擦焊技術來保持逡逑低的焊接熱輸入，得到細小晶粒，減小熱影響區(qū)和機械熱影響區(qū)的寬度。逡逑１．３．１邋７０００鋁合金攪拌摩擦焊接頭缺陷逡逑攪拌摩擦焊作為新型的固相連接技術，依靠摩擦熱使母材處于熱塑性狀態(tài)，逡逑達到焊接的目的，適合于焊接低熔點合金。但焊接參數(shù)不合適的情況下，接頭中逡逑也容易產生各種缺陷。逡逑（１）

【參考文獻】

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本文編號：2717435