6063鋁合金薄板攪拌摩擦焊接工藝及機理的研究.pdf

1、鋁合金質輕而強度高，廣泛應用于飛機、艦船、武器、火車、汽車等結構中。但在采用傳統的熔化焊接方法進行焊接時，焊縫易產生翹曲變形、表面氧化、熱裂紋、氣孔、合金元素燒損和焊縫區(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。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，以期得到最優(yōu)的焊縫組織，實現6063-T6

2、等鋁合金薄板的高質量的攪拌摩擦焊接，同時探索用于修復點缺陷的攪拌摩擦焊接技術，促進鋁合金和FSW技術的工業(yè)化應用。論文的主要內容有以下幾個方面：
　　 在閱讀大量文獻的基礎上，本文首先論述了鋁合金實用的主要焊接方法及其優(yōu)缺點，對國內外攪拌摩擦焊接技術的發(fā)展和研究進行了比較全面的總結。
　　 通過大量的工藝參數、攪拌頭形狀和試驗條件的優(yōu)化試驗，實現了5mm厚6063-T6鋁合金板材的快速高效高質量的攪拌摩擦焊接。其焊縫的抗

3、拉強度達到母材抗拉強度的93％。試驗分析了產生溝槽、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的變化對產熱形狀因子的影響。較小的對接間隙對焊接質量和成形影響甚微。
　　 然后，觀察和分析了焊縫多截面的組織特征、焊核區(qū)再結晶的晶粒長大速度、焊接過程中焊核區(qū)材料的運動形式和特征。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摩擦的材料，流動十分明

4、顯，晶粒被完全攪拌破碎。對焊縫進行了力學性能試驗，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熱機影響區(qū)，而是前進側熱機影響區(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摩擦，建立了適用于復雜形狀攪拌針的產熱模型，并給出了接觸摩擦界面上等效應變速率(ē)的估算值。分析了焊接過程熱傳導的初始條件和邊界條件，對焊縫材料附近的溫度進行了數值模擬；焊接試驗中，在被焊件兩側距

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

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