6063鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝及機(jī)理的研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、鋁合金質(zhì)輕而強(qiáng)度高,廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、艦船、武器、火車、汽車等結(jié)構(gòu)中。但在采用傳統(tǒng)的熔化焊接方法進(jìn)行焊接時(shí),焊縫易產(chǎn)生翹曲變形、表面氧化、熱裂紋、氣孔、合金元素?zé)龘p和焊縫區(qū)軟化等問題。所以研究新的高效率、高資源利用率、無污染的攪拌摩擦焊接(FSW)技術(shù)是十分必要的。攪拌摩擦焊是由英國焊接研究所(WTI)于1991年發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)。本課題的目的是,研究焊接熱循環(huán)并模擬焊縫材料的流體流動(dòng),以期得到最優(yōu)的焊縫組織,實(shí)現(xiàn)6063-T6

2、等鋁合金薄板的高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接,同時(shí)探索用于修復(fù)點(diǎn)缺陷的攪拌摩擦焊接技術(shù),促進(jìn)鋁合金和FSW技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用。論文的主要內(nèi)容有以下幾個(gè)方面:
   在閱讀大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,本文首先論述了鋁合金實(shí)用的主要焊接方法及其優(yōu)缺點(diǎn),對國內(nèi)外攪拌摩擦焊接技術(shù)的發(fā)展和研究進(jìn)行了比較全面的總結(jié)。
   通過大量的工藝參數(shù)、攪拌頭形狀和試驗(yàn)條件的優(yōu)化試驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了5mm厚6063-T6鋁合金板材的快速高效高質(zhì)量的攪拌摩擦焊接。其焊縫的抗

3、拉強(qiáng)度達(dá)到母材抗拉強(qiáng)度的93%。試驗(yàn)分析了產(chǎn)生溝槽、飛邊、孔洞、隧道孔、吻接、未焊透等缺陷的主要因素。分析了攪拌頭主要參數(shù)的變化對產(chǎn)熱形狀因子的影響。較小的對接間隙對焊接質(zhì)量和成形影響甚微。
   然后,觀察和分析了焊縫多截面的組織特征、焊核區(qū)再結(jié)晶的晶粒長大速度、焊接過程中焊核區(qū)材料的運(yùn)動(dòng)形式和特征。分析了焊縫縱截面的半環(huán)形特征和橫截面洋蔥環(huán)特征的形成原因。焊縫中一層約19~103μm厚的與攪拌頭接觸滑動(dòng)摩擦的材料,流動(dòng)十分明

4、顯,晶粒被完全攪拌破碎。對焊縫進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn),各組織分界面處的硬度明顯下降,但是斷裂的主要位置并不是后退側(cè)熱機(jī)影響區(qū),而是前進(jìn)側(cè)熱機(jī)影響區(qū)。
   其次,本文基于修正的庫侖-阿蒙頓定律,描述了攪拌頭和被焊材料的接觸面之間的接觸滑動(dòng)摩擦,建立了適用于復(fù)雜形狀攪拌針的產(chǎn)熱模型,并給出了接觸摩擦界面上等效應(yīng)變速率(ē)的估算值。分析了焊接過程熱傳導(dǎo)的初始條件和邊界條件,對焊縫材料附近的溫度進(jìn)行了數(shù)值模擬;焊接試驗(yàn)中,在被焊件兩側(cè)距

5、離焊縫不同距離的8個(gè)點(diǎn)上安置熱電偶,對焊接過程進(jìn)行了溫度測量;得到了測量點(diǎn)處的熱循環(huán)曲線。對焊接溫度的實(shí)際測量和數(shù)值模擬的結(jié)果都表明:焊接區(qū)溫度峰值不僅僅是超過了材料的初始再結(jié)晶溫度區(qū)間,而且接近6063-T6鋁合金組織的開始復(fù)熔溫度;并且距焊縫中心3.5mm處的溫度高于材料初始再結(jié)晶溫度的時(shí)間約為9~110秒鐘;焊接初始的預(yù)熱和熱量傳遞在時(shí)間上存在一個(gè)過程。
   論文基于流體質(zhì)點(diǎn)和連續(xù)介質(zhì)理論模型,建立了高流動(dòng)層材料的近似流

6、體模型,采用有限體積方法的流場分析結(jié)果表明:材料在攪拌頭后退側(cè)偏后的位置上發(fā)生堆積,而對稱的前進(jìn)側(cè)位置上有產(chǎn)生空洞的趨勢,前側(cè)中部的材料向底部的螺旋運(yùn)動(dòng)加劇并形成洋蔥環(huán)特征;焊縫上部的流動(dòng)材料側(cè)重于層流流動(dòng),而下部材料側(cè)重于紊流流動(dòng)。
   最后,論文分析了影響攪拌頭磨損的主要因素,給出了試驗(yàn)中攪拌頭的磨損系數(shù)估計(jì)值。進(jìn)行了修復(fù)點(diǎn)缺陷的攪拌摩擦焊接探索性的試驗(yàn),分析了其焊接缺陷;攪拌頭轉(zhuǎn)速和向下的焊接速度決定了焊接溫度和焊點(diǎn)處材

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