高強(qiáng)鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊工藝及機(jī)理研究.pdf

1、雙軸肩攪拌摩擦焊技術(shù)(Bobbin Tool Friction Stir Weding:BT-FSW)作為一種新焊接方法，是對(duì)常規(guī)攪拌摩擦焊接技術(shù)(Friction Stir Weding:FSW)的一種補(bǔ)充，其焊接技術(shù)在船舶帶筋板、列車空調(diào)板、火箭燃料貯箱、飛機(jī)壁板等制造領(lǐng)域具有重要應(yīng)用背景。然而，對(duì)于薄板2024-T3高強(qiáng)鋁合金的BT-FSW研究幾乎沒(méi)有，尚屬于起步階段，且由于雙軸肩設(shè)備控制及工藝的特殊性，極易出現(xiàn)焊接缺陷等問(wèn)題，這

2、些極大制約了BT-FSW在航空航天、高速列車、船舶軍艦等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。同時(shí)也將嚴(yán)重制約BT-FSW焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)建立和完善。因此，本研究采用3mm薄板2024-T3高強(qiáng)鋁合金的BT-FSW接頭為研究對(duì)象，利用各種試驗(yàn)方法系統(tǒng)研究了BT-FSW焊接工具設(shè)計(jì)對(duì)焊接受力、接頭溫度、組織與性能的影響，深入探討了薄板高強(qiáng)鋁合金B(yǎng)T-FSW特征及工藝改進(jìn)技術(shù)。研究成果為BT-FSW接頭質(zhì)量控制、接頭性能評(píng)價(jià)、攪拌工具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支

3、撐。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下:
　　根據(jù)BT-FSW特征，利用浮動(dòng)式BT-FSW專用設(shè)備，通過(guò)比較6種不同形式的攪拌工具，提出軸肩形式為同心圓環(huán)，軸肩攪拌針部分銑有三平面有利于焊接過(guò)程中材料的流動(dòng)，焊縫易成型。經(jīng)優(yōu)化后的攪拌工具為非對(duì)稱軸肩BT-FSW攪拌工具，顯著提高了薄板2024高強(qiáng)鋁合金焊接穩(wěn)定性，抗拉強(qiáng)度可達(dá)394MPa，其強(qiáng)度可達(dá)母材81％。
　　針對(duì)3mm薄板2024-T3高強(qiáng)鋁合金，采用對(duì)稱與非對(duì)稱軸肩的BT

4、-FSW攪拌工具焊接高強(qiáng)鋁合金，分析了BT-FSW焊接過(guò)程前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)前進(jìn)抗力、扭矩力及接頭前進(jìn)溫度場(chǎng)分布相互關(guān)系。結(jié)果表明:對(duì)稱軸肩BT-FSW和非對(duì)稱軸肩BT-FSW在轉(zhuǎn)速不變的焊接過(guò)程中，隨著焊接速度的增加，攪拌工具的扭矩力并未隨之增加，而是峰值基本相同，均處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的振蕩幅度內(nèi)。同時(shí)在測(cè)溫過(guò)程中，相同焊接參數(shù)條件下，隨著焊速的增加，焊縫下軸肩作用區(qū)的峰值溫度溫度高于上軸肩、相同位置特征點(diǎn)后退側(cè)溫度高于前進(jìn)側(cè)，且下軸肩的后

5、退側(cè)溫度也要高于上軸肩的后退側(cè)溫度。相比對(duì)稱軸肩BT-FSW攪拌工具，非對(duì)稱軸肩BT-FSW攪拌工具的扭矩峰值減小，峰值溫度也有所減小，為深入研究2024-T3高強(qiáng)鋁合金的BT-FSW特性奠定了基礎(chǔ)。
　　通過(guò)固定的轉(zhuǎn)速以及變化的焊速試驗(yàn)，揭示焊速對(duì)高強(qiáng)鋁合金雙軸肩攪拌摩擦焊拉伸以及斷裂性能的行為。在BT-FSW試驗(yàn)中，隨著焊接速度的增加，接頭的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均先增加后減少，其中在焊速200mm/min時(shí)，在非對(duì)稱軸肩BT-F

6、SW中，接頭強(qiáng)度達(dá)到了最大值，可達(dá)母材81％，焊接速度顯著影響了接頭的力學(xué)性能，也為后續(xù)更好的描述BT-FSW接頭特征奠定了基礎(chǔ)。
　　基于理論和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)并揭示了BT-FSW接頭微觀組織、硬度及拉伸應(yīng)變分布規(guī)律之間的關(guān)系。提出了利用對(duì)稱軸肩和非對(duì)稱軸肩比較，揭示了非對(duì)稱BT-FSW接頭在拉伸過(guò)程中應(yīng)變分布規(guī)律，即闡明了在BT-FSW焊接過(guò)程中，非對(duì)稱軸肩BT-FSW攪拌工具可以有效改變焊縫金屬材料在垂直和水平方向的流動(dòng)，使BT