材料加工状态对铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响(附件)【字数：10884】
摘 要摘 要 6061铝合金为铝镁硅合金，它加工性能极佳，具有良好的腐蚀性，由于韧性高，所以加工不易变形，易于抛光上色。目前应用广泛，航空航天，交通运输，电子，家电，包装等领域都会用到6系铝合金。 对6061-T6及6061-O铝合金采用搅拌摩擦焊方法分别进行对接焊，板厚5mm，焊后采用光学显微镜、扫描电镜进行分析，对比O-O接头、O-T6接头、T6-T6接头及母材的显微组织和断口形貌，并测试了拉伸性能和显微硬度。用万能材料试验机测试母材及接头的拉伸性能，O-O接头、O-T6接头、T6-T6接头断裂方式都是韧性断裂，断口都有明显韧窝。T6-T6接头的抗拉强度最高，约为184MPa，O-O接头的延伸性最好，可达到24%； 用显微硬度仪测试母材及接头的硬度，O-T6接头的硬度在前景侧呈现上升的趋势，在后退侧，从母材到热影响区硬度一直下降，热机影响区到焊核区硬度上升，在焊核区部分，靠近T6母材的一侧硬度高于靠近O态的一侧；T6-T6接头硬度呈“W”形，沿焊缝厚度方向上，上部分焊缝的硬度高于中部和下部；O-O接头焊核区和热机影响区的硬度要远大于母材；轴肩影响区、焊核区、热机影响区、热影响区和母材间因为组织的差异存在着明显的分界轴肩影响区组织最为细小，焊核区组织比较细小，由细小的等轴晶组成；热机影响区组织比焊核区稍微粗大一些；热影响区的组织粗大。关键词搅拌摩擦焊；6061铝合金；焊缝性能；组织
Keywords：Friction stir welding；6061 aluminum alloy；Performance of weld；Organization. 目 录
第1章 绪 论 1
1.1 引 言 1
1.2 搅拌摩擦焊概况 2
1.21 搅拌摩擦焊的原理 2
1.22 搅拌摩擦焊的优缺点 2
1.23 搅拌摩擦焊在实际生产领域的应用 3
1.3 铝合金搅拌摩擦焊研究现状 3
1.3.1 国内外铝合金FSW焊后性能研究现状 3
1.32 国内外铝合金FSW焊后组织研究现状 4
1.4 选题背景和意义 5
1.5 本课题研究内容 6
第2章 试验材料、方法及设备 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
2.1 试验材料的选择 7
2.2 搅拌摩擦焊试验设备及工具的选择 7
2.2.1 搅拌摩擦焊设备 7
2.2.2 搅拌摩擦焊焊接夹具的设计 8
2.2.3 搅拌头的设计 9
2.3 焊缝性能检测设备 11
2.3.1 拉伸试验机 11
2.3.2 显微硬度仪 11
2.4 焊缝组织观测设备 12
2.4.1 金相显微镜 12
2.4.2 扫描电子显微镜SEM 12
2.4.3 EDS能谱分析 13
2.5 试验方法及工艺参数 13
2.5.1 焊接试验板材的加工与热处理 13
2.5.2 搅拌摩擦焊接试验 13
2.5.3 拉伸试验 15
2.5.4 显微硬度试验 15
2.5.5 金相样品的制备及金相观测试验 16
第3章 FSW接头力学性能及组织分析 17
3.1 搅拌摩擦焊接头力学性能分析 17
3.1.1接头拉伸性能分析 17
3.2 搅拌摩擦焊接头显微硬度试验 20
3.3 FSW接头宏观组织分析 23
3.4.1 金相显微组织分析 25
3.4.2 扫描电镜及EDS能谱分析 27
结 论 30
参考文献 32
第1章 绪 论
1.1 引 言
上个世纪初，铝合金由德国人Alfred Wilm发明，由于铝合金及其加工材料与其他金属材料相比具有一系列优良特性，因此在全球各国各领域内被广泛使用。铝的蕴藏量在地球中的储量极其丰富，位居第三位，且开采方便，仅次于氧和硅之后。它耐腐蚀、耐磨、密度小。并且它有良好的弹性,导电和传热性能也很好,强度和刚度在工业运用上也可以得到满足,加工成型方便,可以回收再利用。因此，随着现在经济的高速发展，铝及铝合金可以满足人类的生活和发展中所需的金属能源，是希望金属、机会金属，铝合金的产量将来会将成为一个国家的综合国力之一[1]。随着该材料性能的不断提高及新牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等各个工业领域都得到了越来越广泛的应用。但是，铝合金弧焊过程中较大变形以及材料表面致密的氧化层等缺点又大大限制了这种材料的进一步推广应用与发展[2]。
通常，铝合金分类方式主要有三种：热处理特点、成型工艺和化学元素。根据铝合金能否进行热处理，铝合金可分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。根据成型工艺不同，铝合金可以分为铸造铝合金和变形铝合金。但这俩种分类方式均不是生产生活中常见的分类方式，一般生产生活中，往往根据铝合金添加的元素来分类来加以编号，如常说的二系铝合金，六系铝合金等。按照这种分类方式，铝合金可以分为9个系列。添加铜元素的为二系铝合金，添加锰元素的为三系铝合金，四系铝合金添加的元素为硅，五系铝合金添加的元素为镁，六系铝合金主要添加了镁硅俩种合金，七系铝合金主要添加锌元素，等等。之所以这种方法运用最多，跟它方便编码、记忆和数据管理有很大的关系[3]。
目前，铝合金的焊接方式有很多，钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、真空电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊等，各种焊接方法都有自己的优缺点。上世纪末，英国的焊接研究所发明了这种伟大的，具有创新意义的焊接方式，他的最特别之处在于他是种固相连接的焊接方法。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊可以规避一切液相转变成固相会发生的缺陷。搅拌摩擦焊的焊缝晶粒小，各项性能指标均比传统焊接方式更佳，并且焊接过程中没有烟尘等等一系列有点。经过二十多年的深入研究与发展，搅拌摩擦焊技术现如今己经取得了巨大的进步，在航空、航天、等一系列高端工业领域都得到广泛的应用，成为了各个国家的核心技术[4]。
1.2 搅拌摩擦焊概况
1.21 搅拌摩擦焊的原理
如图11所示，将待焊工件置于垫板上，因为在焊接过程中会产生很大的力，为了防止对接接头在焊接过程中发生相对滑动而导致焊接失败多以必须用夹具夹紧将工件刚性固定。一个高速旋转的搅拌头，通过操作系统进行定位，将搅拌针对准焊缝，然后缓慢插入两块对接板材之间的焊缝处，一般来说，焊缝的深度与搅拌针的长度差不多。当旋转的搅拌针与工件表面接触时，和工件表面的快速摩擦产生的大量摩擦热，使搅拌针接触部分焊缝材料的温度迅速升高,同时强度因此降低。搅拌针在纵向力的作用下不断顶锻和挤压焊缝两边的材料，一直到搅拌头的轴肩跟工件表面紧密接触为止。这时，由轴肩和搅拌针快速旋转产生的摩擦热使接触的材料发生塑性变形。当工件与搅拌针发生相对移动时，在搅拌针旋转的带动下，塑性材料随着搅拌针的机械力发生流动，流动顺从着搅拌针的旋转方向。这样，搅拌针沿着接缝前进时，搅拌针前部分与焊缝摩擦产生大量摩擦热，使焊缝加热至超塑性状态，工件表面的氧化膜被破坏，搅拌针前部的金属随着搅拌针的移动填补到搅拌针后方，搅拌针后方的材料冷却后就形成固态焊缝[5]。
Keywords：Friction stir welding；6061 aluminum alloy；Performance of weld；Organization. 目 录
第1章 绪 论 1
1.1 引 言 1
1.2 搅拌摩擦焊概况 2
1.21 搅拌摩擦焊的原理 2
1.22 搅拌摩擦焊的优缺点 2
1.23 搅拌摩擦焊在实际生产领域的应用 3
1.3 铝合金搅拌摩擦焊研究现状 3
1.3.1 国内外铝合金FSW焊后性能研究现状 3
1.32 国内外铝合金FSW焊后组织研究现状 4
1.4 选题背景和意义 5
1.5 本课题研究内容 6
第2章 试验材料、方法及设备 7 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
2.1 试验材料的选择 7
2.2 搅拌摩擦焊试验设备及工具的选择 7
2.2.1 搅拌摩擦焊设备 7
2.2.2 搅拌摩擦焊焊接夹具的设计 8
2.2.3 搅拌头的设计 9
2.3 焊缝性能检测设备 11
2.3.1 拉伸试验机 11
2.3.2 显微硬度仪 11
2.4 焊缝组织观测设备 12
2.4.1 金相显微镜 12
2.4.2 扫描电子显微镜SEM 12
2.4.3 EDS能谱分析 13
2.5 试验方法及工艺参数 13
2.5.1 焊接试验板材的加工与热处理 13
2.5.2 搅拌摩擦焊接试验 13
2.5.3 拉伸试验 15
2.5.4 显微硬度试验 15
2.5.5 金相样品的制备及金相观测试验 16
第3章 FSW接头力学性能及组织分析 17
3.1 搅拌摩擦焊接头力学性能分析 17
3.1.1接头拉伸性能分析 17
3.2 搅拌摩擦焊接头显微硬度试验 20
3.3 FSW接头宏观组织分析 23
3.4.1 金相显微组织分析 25
3.4.2 扫描电镜及EDS能谱分析 27
结 论 30
参考文献 32
第1章 绪 论
1.1 引 言
上个世纪初，铝合金由德国人Alfred Wilm发明，由于铝合金及其加工材料与其他金属材料相比具有一系列优良特性，因此在全球各国各领域内被广泛使用。铝的蕴藏量在地球中的储量极其丰富，位居第三位，且开采方便，仅次于氧和硅之后。它耐腐蚀、耐磨、密度小。并且它有良好的弹性,导电和传热性能也很好,强度和刚度在工业运用上也可以得到满足,加工成型方便,可以回收再利用。因此，随着现在经济的高速发展，铝及铝合金可以满足人类的生活和发展中所需的金属能源，是希望金属、机会金属，铝合金的产量将来会将成为一个国家的综合国力之一[1]。随着该材料性能的不断提高及新牌号的硬铝、超硬铝等材料的出现，在航空、航天、高速列车、高速舰船等各个工业领域都得到了越来越广泛的应用。但是，铝合金弧焊过程中较大变形以及材料表面致密的氧化层等缺点又大大限制了这种材料的进一步推广应用与发展[2]。
通常，铝合金分类方式主要有三种：热处理特点、成型工艺和化学元素。根据铝合金能否进行热处理，铝合金可分为非热处理强化铝合金和热处理强化铝合金。根据成型工艺不同，铝合金可以分为铸造铝合金和变形铝合金。但这俩种分类方式均不是生产生活中常见的分类方式，一般生产生活中，往往根据铝合金添加的元素来分类来加以编号，如常说的二系铝合金，六系铝合金等。按照这种分类方式，铝合金可以分为9个系列。添加铜元素的为二系铝合金，添加锰元素的为三系铝合金，四系铝合金添加的元素为硅，五系铝合金添加的元素为镁，六系铝合金主要添加了镁硅俩种合金，七系铝合金主要添加锌元素，等等。之所以这种方法运用最多，跟它方便编码、记忆和数据管理有很大的关系[3]。
目前，铝合金的焊接方式有很多，钨极氩弧焊、熔化极氩弧焊、真空电子束焊、激光焊、搅拌摩擦焊等，各种焊接方法都有自己的优缺点。上世纪末，英国的焊接研究所发明了这种伟大的，具有创新意义的焊接方式，他的最特别之处在于他是种固相连接的焊接方法。与传统的熔化焊相比，搅拌摩擦焊可以规避一切液相转变成固相会发生的缺陷。搅拌摩擦焊的焊缝晶粒小，各项性能指标均比传统焊接方式更佳，并且焊接过程中没有烟尘等等一系列有点。经过二十多年的深入研究与发展，搅拌摩擦焊技术现如今己经取得了巨大的进步，在航空、航天、等一系列高端工业领域都得到广泛的应用，成为了各个国家的核心技术[4]。
1.2 搅拌摩擦焊概况
1.21 搅拌摩擦焊的原理
如图11所示，将待焊工件置于垫板上，因为在焊接过程中会产生很大的力，为了防止对接接头在焊接过程中发生相对滑动而导致焊接失败多以必须用夹具夹紧将工件刚性固定。一个高速旋转的搅拌头，通过操作系统进行定位，将搅拌针对准焊缝，然后缓慢插入两块对接板材之间的焊缝处，一般来说，焊缝的深度与搅拌针的长度差不多。当旋转的搅拌针与工件表面接触时，和工件表面的快速摩擦产生的大量摩擦热，使搅拌针接触部分焊缝材料的温度迅速升高,同时强度因此降低。搅拌针在纵向力的作用下不断顶锻和挤压焊缝两边的材料，一直到搅拌头的轴肩跟工件表面紧密接触为止。这时，由轴肩和搅拌针快速旋转产生的摩擦热使接触的材料发生塑性变形。当工件与搅拌针发生相对移动时，在搅拌针旋转的带动下，塑性材料随着搅拌针的机械力发生流动，流动顺从着搅拌针的旋转方向。这样，搅拌针沿着接缝前进时，搅拌针前部分与焊缝摩擦产生大量摩擦热，使焊缝加热至超塑性状态，工件表面的氧化膜被破坏，搅拌针前部的金属随着搅拌针的移动填补到搅拌针后方，搅拌针后方的材料冷却后就形成固态焊缝[5]。
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