超聲振動強化攪拌摩擦焊工藝及接頭疲勞性能的研究.pdf

1、超聲振動強化攪拌摩擦焊工藝(UVeFSW)，將超聲能量作用于攪拌工具前方的待焊接工件上來改善接頭的成形質(zhì)量，獲得了焊接載荷降低、焊接缺陷減少、焊接速度提高、焊接工藝窗口拓寬等工藝效果。然而，有關(guān)超聲振動對于攪拌摩擦焊(FSW)接頭疲勞性能影響方面的研究尚屬空白。本文在這方面開展了研究，對于促進UVeFSW工藝的發(fā)展和應(yīng)用，具有重要的工程實用價值。
　　開展了6 mm厚2024-T3鋁合金板的FSW和UVeFSW工藝試驗。對比了FS

2、W和UVeFSW兩種工藝條件下，接頭宏/微觀組織、力學(xué)性能和焊接載荷等方面的差異。結(jié)果表明，超聲振動可以增加焊核區(qū)寬度，細化第二相粒子，但對晶粒尺寸影響不大;后退側(cè)熱力影響區(qū)晶粒的變形程度變大，前進側(cè)熱力影響區(qū)邊界流線趨于光滑。
　　通過高頻恒幅疲勞試驗和疲勞斷口的SEM分析，研究了超聲振動對接頭疲勞性能的影響。采用國際焊接學(xué)會(IIW)闡明的方法對試驗結(jié)果進行了分析。在所用實驗條件下，所得數(shù)據(jù)點和擬合所得的疲勞壽命(S-N)曲線

3、都高于FAT45線，常規(guī)FSW和UVeFSW兩種工藝所得接頭均具有高于IIW標準熔焊接頭的疲勞性能。試驗結(jié)果表明，在50％存活率時，超聲振動使得接頭的疲勞強度得到大幅提高，由常規(guī)FSW接頭的86.2MPa提高到了UVeFSW接頭的103.74MPa，達到了母材的96.13％。當(dāng)按照95％存活率和75％置信度對數(shù)據(jù)進行處理時，疲勞數(shù)據(jù)較大的離散性使得施加超聲振動對于疲勞性能的影響減弱。
　　在接頭橫斷面上，根據(jù)材料的流動定義了三個邊

4、界和一個特征區(qū)域。在軸肩作用的區(qū)域，后退側(cè)向前進側(cè)和前進側(cè)向下流動的兩股材料，形成交界1;軸肩作用區(qū)域向下流動的材料和攪拌針作用區(qū)域向上流動的材料，形成交界2;前進側(cè)焊核區(qū)與熱力影響區(qū)之間組織變化劇烈，形成交界3。這三個邊界相互連接，在前進側(cè)形成一個相對薄弱的特征區(qū)域，應(yīng)力集中程度達到最大，通常會成為疲勞裂紋萌生的位置。在所用試驗條件下，常規(guī)FSW接頭全部起裂于特征區(qū)域。而超聲振動使得特征區(qū)域的應(yīng)力集中程度減弱，UVeFSW接頭73％起