搅拌摩擦焊工艺对接头残余应力的影响(附件)【字数：15978】
摘 要摘 要5A01铝合金为我国自主研制的不可热处理强化防锈铝合金，在船舶建造领域有广阔的应用前景，目前关于其焊接工艺及焊接接头性能的研究尚报道不多。搅拌摩擦焊是一种全新的固态焊接方法，特别适用于铝合金、镁合金等有色金属的连接。因其变形小、能耗低、无污染等特点，在工业领域得到了广泛的发展。焊接接头残余应力的大小和分布，对焊接结构件在后期服役过程中结构变形、应力腐蚀开裂、疲劳裂纹的扩展等有重要影响。因此研究焊接工艺对5A01搅拌摩擦焊接头组织与性能以及残余应力分布规律有很重要的意义，可以为5A01铝合金更广泛的应用提供理论基础。 本文对5mm厚的5A01铝合金板进行搅拌摩擦焊对接，试验分为单道搅拌摩擦焊、同向双道搅拌摩擦焊、反向双道搅拌摩擦焊三部分。对搅拌摩擦焊接头进行宏观、微观分析，并讨论不同参数对接头拉伸性能和接头显微硬度的影响规律。试验发现接头横截面为典型“V”型，上宽下窄，并有洋葱环存在；双道焊接可以将焊缝金属搅拌更加均匀，在同向双道焊时抗拉强度明显降低，低于反向双道焊。对5A01铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的测试用小孔应力释放法进行，分析结果得，不管是单道焊还是双道焊，其纵向残余应力总是比横向残余应力大；单道焊缝和反向双道焊的纵向残余应力的曲线峰值在焊缝中心处，而同向双道焊缝的纵向残余应力在搅拌区域内出现双峰。关键词 搅拌摩擦焊；5A01铝合金；残余应力；力学性能；
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2.1 搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用 1
1.2.2 搅拌摩擦焊在造船业的应用 2
1.2.3 搅拌摩擦焊在轨道交通工具的应用 2
1.3 搅拌摩擦焊接头残余应力的研究现状 2
1.4 研究意义和内容 4
第二章 试验方法及设备 6
2.1 试验材料 6
2.2 试验设备 6
2.2.1 搅拌摩擦焊接设备 6
2.2.2 搅拌头 7
2.3 试验过程 8
2.3.1 搅拌摩擦焊接试验 8
2.3.2 接头组织分析试验 9
2.3.3 搅拌摩擦焊接头残余应力测量 10
2.3.4.1 硬度试验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
11
2.3.4.2 拉伸试验 11
2.4 本章小结 12
第三章 搅拌摩擦焊焊缝组织与性能分析 13
3.1 焊接工艺对接头焊缝形貌的影响 13
3.2 搅拌摩擦焊接头的微观组织分析 15
3.3 搅拌摩擦焊接头的宏观组织分析 17
3.4 焊接工艺对接头拉伸性能的影响 19
3.4.1 焊接程序对接头抗拉强度的影响 19
3.4.2 焊接工艺参数对接头拉伸强度的影响 20
3.4.3 搅拌摩擦焊接头拉伸试样断口分析 21
3.5 工艺参数对接头显微硬度的影响 23
3.5.1 不同工艺参数下接头的显微硬度 23
3.5.2 不同焊接程序接头的显微硬度 24
3.5.3接头显微硬度的各层异性 27
3.6 本章小结 28
第四章 铝合金搅拌摩擦焊残余应力检测及分析 30
4.1 残余应力检测 30
4.1.1 残余应力测量 30
4.1.2 小孔法检测残余应力的原理 32
4.2 搅拌摩擦焊残余应力的分布规律 32
4.3 本章小结 40
结 论 41
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 引言
1991年一种全新的固态连接技术搅拌摩擦焊（FSW）在英国焊接研究所被发明[1]。搅拌摩擦焊焊接由于其无尘烟、无气孔、无飞溅和节能等特点而被誉为“绿色焊接工艺”[25]。搅拌摩擦焊的特点是变形小，能耗低，无污染等，在航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域得到了广泛的发展。
一般熔焊中容易产生气孔、夹渣、氧化膜和吸附水分等缺陷，导致接头的力学性能降低，是铝及铝合金与氧的亲和力大引起的。然而铝合金的搅拌摩擦焊克服了传统方法方法焊接铝合金时出现诸多缺陷，这是因为铝合金的搅拌摩擦焊实在接头处于流塑态时焊接，减轻了氢、氧聚集元素对接头产生的不良影响，避免了被焊材质表面的氧、氢在液态时的局部聚集[6]。铝合金搅拌摩擦焊中焊接速度、旋转速度和搅拌头的下压量是影响接头性能的主要工艺参数[7]。为了防止焊后的工件变形和工件与工作台的相对运动，所以在搅拌摩擦焊的过程中通常采用刚性夹具约束工件，这就导致了焊缝和热影响区产生残余应力[8]。因此充分了解铝合金搅拌摩擦焊焊接中残余应力的大小和分布，这对发挥残余应力的有利影响对和抑制残余应力的不利影响具有非常重要的意义。
1.2 搅拌摩擦焊技术的应用现状
因为搅拌摩擦焊接头力学性能优异、焊缝组织好，所以自从搅拌摩擦焊被发明至今在众制造领域彰显出强劲的创新活力和广大的应用前景，已经在铁道车辆、汽车、造船、航空航天等领域得到得到大量使用[9]。
1.2.1 搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用
DeltaIV运载火箭的储箱被波音公司用搅拌摩擦焊生产出来，7075铝合金低温燃料箱成功的被美国航天部门用搅拌摩擦焊焊接进行焊接。经过搅拌摩擦焊的5454铝合金经具有很好的抗腐蚀性。我国针对飞机材料及结构开展了FSW的研究，与企业合作研究未来新型战斗机和大飞机的探索与应用[10,11]。
大量铆接和螺栓连接结构在航空领域中用于飞机制造零部件的装配连接，比如空中客车A340飞机上使用的100万个铆钉，如采用搅拌摩擦焊代替铆接既可降低结构质量又能提高制造速度。复杂结构的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接被波音公司实现了这一技术性突破，同时波音公司成功地实现了薄板T形接头的搅拌摩擦焊连接在战斗机的裙翼上，并进行了相关飞行测试。
1.2.2 搅拌摩擦焊在造船业的应用
搅拌摩擦焊最先用于商业化的两个工业领域是海洋工业和船舶制造，主要应用于拼版海洋运输结构件、“三文治”甲板、侧板、防水壁板、船体外壳、主体结构件、直升机降落平台、水上观测站、船用冷冻器中空平板、帆船桅杆及结构件等。搅拌摩擦焊技术的发展，以高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶加强件结构的制造，已成为船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。FSW在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、质量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅能用于船舶轻合金结构件的制造，还可用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法，为现代焊接技术发展的再一次飞跃提供了契机[12,13]。
1.2.3 搅拌摩擦焊在轨道交通工具的应用
目前正在进行车辆部件的搅拌摩擦焊工业化研究的公司有法国Alstom公司和丹麦DanStir公司。在用与于市郊特快列车车辆的制造时搅拌摩擦焊技术被日立公司应用于单层和双层挤压件的连接。搅拌摩擦焊工艺被日本住友轻金属公司用于日本地铁车辆和新干线车辆的制造，车速达285 km/h，质量完全合格。焊接工件长度已超过3 km，且接合质量良好[1315]。
1.3 搅拌摩擦焊接头残余应力的研究现状
焊接结构件在后期服役过程中的疲劳裂纹的扩展、结构变形、疲劳裂纹的扩展应力腐蚀开裂等使用性能受到残余应力的大小和分布的影响[16,17]。常用的无损检测方法主要有高能同步辐射法、超声波法、磁性法、中子衍射法和普通X射线衍射法等。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2.1 搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用 1
1.2.2 搅拌摩擦焊在造船业的应用 2
1.2.3 搅拌摩擦焊在轨道交通工具的应用 2
1.3 搅拌摩擦焊接头残余应力的研究现状 2
1.4 研究意义和内容 4
第二章 试验方法及设备 6
2.1 试验材料 6
2.2 试验设备 6
2.2.1 搅拌摩擦焊接设备 6
2.2.2 搅拌头 7
2.3 试验过程 8
2.3.1 搅拌摩擦焊接试验 8
2.3.2 接头组织分析试验 9
2.3.3 搅拌摩擦焊接头残余应力测量 10
2.3.4.1 硬度试验 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
11
2.3.4.2 拉伸试验 11
2.4 本章小结 12
第三章 搅拌摩擦焊焊缝组织与性能分析 13
3.1 焊接工艺对接头焊缝形貌的影响 13
3.2 搅拌摩擦焊接头的微观组织分析 15
3.3 搅拌摩擦焊接头的宏观组织分析 17
3.4 焊接工艺对接头拉伸性能的影响 19
3.4.1 焊接程序对接头抗拉强度的影响 19
3.4.2 焊接工艺参数对接头拉伸强度的影响 20
3.4.3 搅拌摩擦焊接头拉伸试样断口分析 21
3.5 工艺参数对接头显微硬度的影响 23
3.5.1 不同工艺参数下接头的显微硬度 23
3.5.2 不同焊接程序接头的显微硬度 24
3.5.3接头显微硬度的各层异性 27
3.6 本章小结 28
第四章 铝合金搅拌摩擦焊残余应力检测及分析 30
4.1 残余应力检测 30
4.1.1 残余应力测量 30
4.1.2 小孔法检测残余应力的原理 32
4.2 搅拌摩擦焊残余应力的分布规律 32
4.3 本章小结 40
结 论 41
致 谢 42
参考文献 43
第一章 绪论
1.1 引言
1991年一种全新的固态连接技术搅拌摩擦焊（FSW）在英国焊接研究所被发明[1]。搅拌摩擦焊焊接由于其无尘烟、无气孔、无飞溅和节能等特点而被誉为“绿色焊接工艺”[25]。搅拌摩擦焊的特点是变形小，能耗低，无污染等，在航空、航天、船舶、列车、汽车、电子、电力等工业领域得到了广泛的发展。
一般熔焊中容易产生气孔、夹渣、氧化膜和吸附水分等缺陷，导致接头的力学性能降低，是铝及铝合金与氧的亲和力大引起的。然而铝合金的搅拌摩擦焊克服了传统方法方法焊接铝合金时出现诸多缺陷，这是因为铝合金的搅拌摩擦焊实在接头处于流塑态时焊接，减轻了氢、氧聚集元素对接头产生的不良影响，避免了被焊材质表面的氧、氢在液态时的局部聚集[6]。铝合金搅拌摩擦焊中焊接速度、旋转速度和搅拌头的下压量是影响接头性能的主要工艺参数[7]。为了防止焊后的工件变形和工件与工作台的相对运动，所以在搅拌摩擦焊的过程中通常采用刚性夹具约束工件，这就导致了焊缝和热影响区产生残余应力[8]。因此充分了解铝合金搅拌摩擦焊焊接中残余应力的大小和分布，这对发挥残余应力的有利影响对和抑制残余应力的不利影响具有非常重要的意义。
1.2 搅拌摩擦焊技术的应用现状
因为搅拌摩擦焊接头力学性能优异、焊缝组织好，所以自从搅拌摩擦焊被发明至今在众制造领域彰显出强劲的创新活力和广大的应用前景，已经在铁道车辆、汽车、造船、航空航天等领域得到得到大量使用[9]。
1.2.1 搅拌摩擦焊在航空航天领域的应用
DeltaIV运载火箭的储箱被波音公司用搅拌摩擦焊生产出来，7075铝合金低温燃料箱成功的被美国航天部门用搅拌摩擦焊焊接进行焊接。经过搅拌摩擦焊的5454铝合金经具有很好的抗腐蚀性。我国针对飞机材料及结构开展了FSW的研究，与企业合作研究未来新型战斗机和大飞机的探索与应用[10,11]。
大量铆接和螺栓连接结构在航空领域中用于飞机制造零部件的装配连接，比如空中客车A340飞机上使用的100万个铆钉，如采用搅拌摩擦焊代替铆接既可降低结构质量又能提高制造速度。复杂结构的飞机门的曲线搅拌摩擦焊焊接被波音公司实现了这一技术性突破，同时波音公司成功地实现了薄板T形接头的搅拌摩擦焊连接在战斗机的裙翼上，并进行了相关飞行测试。
1.2.2 搅拌摩擦焊在造船业的应用
搅拌摩擦焊最先用于商业化的两个工业领域是海洋工业和船舶制造，主要应用于拼版海洋运输结构件、“三文治”甲板、侧板、防水壁板、船体外壳、主体结构件、直升机降落平台、水上观测站、船用冷冻器中空平板、帆船桅杆及结构件等。搅拌摩擦焊技术的发展，以高集成度的预成型模块化制造来代替传统的船舶加强件结构的制造，已成为船舶制造技术发展的必然和革命性的进步。FSW在船舶轻合金预成形结构件上的应用，在外观、质量、性能、成本以及制造时间上具有明显的优越性，不仅能用于船舶轻合金结构件的制造，还可用于现场装配，为现代船舶制造提供了新的连接方法，为现代焊接技术发展的再一次飞跃提供了契机[12,13]。
1.2.3 搅拌摩擦焊在轨道交通工具的应用
目前正在进行车辆部件的搅拌摩擦焊工业化研究的公司有法国Alstom公司和丹麦DanStir公司。在用与于市郊特快列车车辆的制造时搅拌摩擦焊技术被日立公司应用于单层和双层挤压件的连接。搅拌摩擦焊工艺被日本住友轻金属公司用于日本地铁车辆和新干线车辆的制造，车速达285 km/h，质量完全合格。焊接工件长度已超过3 km，且接合质量良好[1315]。
1.3 搅拌摩擦焊接头残余应力的研究现状
焊接结构件在后期服役过程中的疲劳裂纹的扩展、结构变形、疲劳裂纹的扩展应力腐蚀开裂等使用性能受到残余应力的大小和分布的影响[16,17]。常用的无损检测方法主要有高能同步辐射法、超声波法、磁性法、中子衍射法和普通X射线衍射法等。
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