超高強(qiáng)鋁合金非對(duì)稱回填式FSSW成形特征與接頭組織性能.pdf

1、7B04超高強(qiáng)鋁合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能，在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為了防止其在服役過程中發(fā)生腐蝕，通常在板材表面覆有一層純鋁組成的包覆鋁層；回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)作為一種新型固相點(diǎn)焊技術(shù)，可有效消除常規(guī)FSSW接頭存在的匙孔，從而提高接頭的承載能力。對(duì)于帶有包覆鋁的7B04鋁合金回填式FSSW，當(dāng)焊接熱輸入較小時(shí)，材料熱膨脹體積的增加無法彌補(bǔ)材料溢出所造成的體積損失，從而導(dǎo)致接頭產(chǎn)生環(huán)溝槽及孔洞缺陷。提高焊接熱輸入又會(huì)造成

2、攪拌區(qū)(SZ)內(nèi)的包覆鋁帶進(jìn)入接頭承載時(shí)的高應(yīng)力區(qū)，從而成為接頭失效的裂紋源。針對(duì)以上問題，本文提出非對(duì)稱回填式FSSW新工藝，通過提高焊接回填階段攪拌針的下扎速率來彌補(bǔ)材料的體積損失，從而實(shí)現(xiàn)在較小的焊接熱輸入下獲得無焊接缺陷的回填式FSSW接頭，最終達(dá)到提高接頭力學(xué)性能的目的。
　　研究了焊接溫度場、流場及材料的變形行為，建立了非對(duì)稱回填式FSSW三維熱力耦合有限元模型，采用數(shù)值模擬的方法對(duì)焊接過程進(jìn)行了揭示。結(jié)果表明，非對(duì)稱

3、回填式FSSW的溫度場關(guān)于焊點(diǎn)中軸線呈中心對(duì)稱。焊接過程中SZ在厚度方向上存在較大的溫度梯度，最高溫度超過沉淀相的固溶溫度，在較大的扎入深度、較高的轉(zhuǎn)速及較小的運(yùn)動(dòng)速率下，SZ最高溫度超過材料的固相線溫度。熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)最高溫度超過沉淀相的固溶溫度而低于材料的固相線溫度。熱影響區(qū)(HAZ)的最高溫度超過沉淀相的粗化溫度而低于其固溶溫度。被焊材料在焊具的驅(qū)動(dòng)下圍繞焊點(diǎn)中軸線呈圓周流動(dòng)。在焊接扎入階段，攪拌套下方材料由外側(cè)相中心匯聚

4、，并由攪拌套底部向攪拌套空腔上部填充。在焊接的回填階段，攪拌套空腔內(nèi)材料由上向下流出空腔，到達(dá)空腔底部后由焊點(diǎn)中心向外側(cè)流動(dòng)。隨著攪拌套扎入深度的增加被焊材料的應(yīng)變速率沒有明顯變化，其應(yīng)變量有所增加。較大的焊具轉(zhuǎn)速可提高被焊材料的應(yīng)變速率，進(jìn)而增加其應(yīng)變量。隨著攪拌套運(yùn)動(dòng)速率的降低塑性材料的應(yīng)變速率有所降低，而應(yīng)變量有所增加。
　　研究了焊點(diǎn)形貌特征及接頭微觀組織的演變規(guī)律，提出了共晶組織及液化裂紋的形成機(jī)制。結(jié)果表明，焊后搭接界

5、面原始的包覆鋁層在SZ內(nèi)重新分布，形成U形的包覆鋁帶形貌，SZ外側(cè)原始搭接界面向上遷移，從而形成上翹的Hook形貌。隨著焊接熱輸入的增加，包覆鋁帶彎曲程度及Hook高度均有所增加。SZ發(fā)生連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，初始沉淀相發(fā)生完全固溶，在隨后的冷卻階段析出η及E相。隨著焊接熱輸入的增加，SZ內(nèi)晶粒及析出沉淀相的尺寸有所增加。高熱輸入條件下SZ溫度超過鋁合金的固相線溫度，晶界處溶質(zhì)富集區(qū)發(fā)生熔化，冷卻時(shí)產(chǎn)生共晶組織。更高的焊接熱輸入導(dǎo)致連續(xù)分布的

6、液化層形成，材料的劇烈塑性流動(dòng)使液化層被撕裂，從而形成液化裂紋。TMAZ引入大量增殖位錯(cuò)，晶粒發(fā)生扭曲，沉淀相發(fā)生粗化及向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)化，其密度有所降低。隨著焊接熱輸入的增加，TMAZ內(nèi)晶粒扭曲程度及位錯(cuò)密度有所增加，沉淀相密度有所降低。HAZ在焊接熱作用下沉淀相發(fā)生粗化，隨著焊接熱輸入的增加，沉淀相粗化程度有所增加。
　　研究了接頭力學(xué)性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，實(shí)現(xiàn)了工藝優(yōu)化。在拉剪載荷作用下接頭高應(yīng)力區(qū)位于Hook尖端及SZ外部。

7、隨著攪拌套扎入深度、焊具轉(zhuǎn)速以及攪拌套運(yùn)動(dòng)速率的增加，接頭的拉剪失效載荷均呈先上升后下降的趨勢。接頭主要以界面斷裂，混合斷裂以及紐扣斷裂三種模式發(fā)生失效。建立了焊接參數(shù)與接頭拉剪失效載荷之間的二階響應(yīng)模型并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到的最佳工藝參數(shù)為：攪拌套扎入深度p=2.92mm，焊具轉(zhuǎn)速ω=1494rpm以及攪拌套運(yùn)動(dòng)速率rs=1mm/s，所獲得最優(yōu)接頭的拉剪失效載荷為10912N。提出獲得高力學(xué)性能接頭的條件為：SZ內(nèi)包覆鋁帶具有足