底部散热型双轴肩搅拌摩擦焊接实验研究(附件)【字数：12000】
摘 要摘 要双轴肩搅拌摩擦焊接技术是传统搅拌摩擦焊接技术的提升和改进，具有绿色环保无烟尘，不需要填充材料，焊接效率较高，操作方便简单等特点。本文针对7.8mm厚6061铝合金进行BTFSW焊接试验，对焊接过程中的特征参数进行检测与焊接组织分析，对焊接质量进行了金相组织分析与硬度分析，研究底部散热前提下焊接工艺对接头各区域组织与力学性能的影响规律。在焊接过程中对底部进行散热，依据金相组织发现了其焊接接头的各部分区域即焊核区、热机影响区、热影响区的组织均发生了变化，尤其是工件的下侧的晶粒变得均匀细小。焊接区的晶粒尺寸得到了细化。能够清晰分辨出热影响区和母材的分界。在焊接过程中对底部进行散热，搅拌摩擦焊接头的性能也发生了显著的变化。随着旋转速度的增加，焊接的热输入变大，焊接接头的拉伸断裂位置多在热影响区处，断口呈现的断裂特征主要为韧性的韧窝。在对底部进行散热时转速为440rpm的条件下，搅拌摩擦焊接头获得了较高的焊接质量。由此可以得出结论，对BTFSW的底部散热是一种有效提高搅拌摩擦焊接接头的强度与韧性的工艺方法。关键词BTFSW实验；底部散热；组织；焊接质量
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 常规搅拌摩擦焊 2
1.2.1 常规搅拌摩擦焊的原理 2
1.2.2 常规搅拌摩擦焊的工艺特点 2
1.2.3 搅拌摩擦焊热过程分析 3
1.3 双轴肩搅拌摩擦焊 4
1.3.1 双轴肩搅拌摩擦焊的原理 4
1.3.2 双轴肩搅拌摩擦焊的特点 5
1.3.3 双轴肩搅拌摩擦焊热过程的研究现状 5
1.4 搅拌摩擦焊冷却研究现状 6
1.5 研究内容与目的 7
1.5.1 研究内容 7
1.5.2 研究目的 8
第二章 试验材料、设备及方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 试验设备及其原理 9
2.2.1 双轴肩搅拌摩擦焊机 9
2.2.2 BTFSW搅拌头 11
2.2.3 温度检测装置 12
2.3 试验方案 13
2.3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 试验方案设计 13
2.3.2 试验前准备 14
2.3.3 焊接工艺参数的选择 15
2.3.4 焊接接头质量分析 15
2.3.5 焊接接头拉伸试验 17
第三章 焊接结果分析 18
3.1 引言 18
3.2 结果分析 18
3.2.1 焊缝表面成型 18
3.2.2 焊缝金相 20
3.2.3 焊缝硬度 23
3.2.4 拉伸断口形貌 24
3.3 前导区温度与焊接质量关系 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
铝合金具有硬度大、熔点低、耐腐蚀性能好等特点，近些年来，在航天航空领域、船舶制造领域、轨道车辆领域等对铝合金材料的需求日益增大，而同时对其焊接要求也逐渐提高。目前国内外经常使用的是惰性气体保护焊即MIG焊以及钨极氩弧焊即TIG 焊来焊接铝合金材料，铝合金的焊接性比较特殊。因此，利用两种熔化焊方法在焊接时容易产生一些问题，例如冶金缺陷中的气孔和裂纹等。搅拌摩擦焊接技术(Friction Stir Welding, FSW) [1]作为一种固相连接技术，在焊接过程中母材并不发生熔化，因此可以避免母材由于熔化从而产生的缺陷。所以搅拌摩擦焊接技术在焊接具有低熔点易氧化焊接性的铝合金材料的焊接应用上具有明显优势。经过二十多年的发展，搅拌摩擦焊已经在很多领域发挥了巨大的作用，但是仍然有着一些局限性。例如，在焊接筒体等大直径结构的环缝时和一些比较特殊位置的焊缝，常规搅拌摩擦焊接经常会遇到装夹问题[2]，解决不了装夹问题，搅拌摩擦焊也将无法使用。但是，这些对传统搅拌摩擦焊进行了改进提升的双轴肩搅拌摩擦焊接技术（Bobbin tool friction stir welding, BTFSW），改善了常规搅拌摩擦焊的局限性，和传统的搅拌摩擦焊接技术相比，双轴肩搅拌摩擦焊接技术有着更特别的优势以及不同的使用前景。
目前为止,欧美等发达国家的搅拌摩擦焊接技术已经趋于成熟,其用来焊接铝合金材料已进入商业化阶段,在我国搅拌摩擦焊领域的研究也如火如荼的进行着[26]，但是国内关于双轴肩搅拌摩擦焊的研究较少。本课题研究的底部散热型的双轴肩搅拌摩擦焊过程，更是在国内外首次研究，对双轴肩搅拌头的底部进行散热，分析了不同焊接状态下的焊接工艺对接头各区域组织与力学性能的影响规律，对进一步揭示BTFSW机理以及其推广有着相当重要的推动意义。
1.2 常规搅拌摩擦焊
1.2.1 常规搅拌摩擦焊的原理
FSW作为一项传统的理想的固相连接方法，具有着低成本和获得良好焊接接头的优势。搅拌摩擦焊其原理示意图如图11所示，利用一个旋转的轴肩和搅拌针组成的搅拌头，焊接过程中，搅拌针插入工件表面，然后沿着接头线旋转水平移动。搅拌头和工件表面经过摩擦产生热量，热量使得搅拌针周围的材料发生软化。与此同时，软化的材料产生从前进侧到后退侧产生了塑性变形，从而形成了固态连接接头。搅拌摩擦焊可以焊接不同的接头，如对接接头，搭接接头，T型接头等等[7]。
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图11 搅拌摩擦焊接原理
1.2.2 常规搅拌摩擦焊的工艺特点
从搅拌摩擦焊的原理我们可以看出，相对传统的熔化焊接方法而言，拥有以下几点优点：
(1) 焊接接头的质量高，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生的裂纹、气孔等缺陷。焊缝是在塑性状态下的受挤压完成的，属于固相连接，十分适合焊接具有特殊焊接性的铝合金材料。
(2) 容易实现平板的对接和搭接，在焊接直焊缝、角焊缝以及环焊缝的时候有很大便利，其次还有利于大型筒体制造及大型拼版对接、大型框架结构等。
(3) 焊接时无需填充材料和保护气体，焊接成本降低。在焊接较厚的工件时，工件无需加工坡口。在焊接有氧化膜的材料时，如铝合金材料，只需将表面的油污去除即可。在材料对接时对装配精度无特殊要求，可以留有一定空隙。
(4) 便于实现机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。
(5) 焊件有配套的装夹工具，刚性固定较好，焊接时加热温度低，焊件不容易产生变形。这一点熔化焊很难做到，因此搅拌摩擦焊有利于加工工件要求变形小的材料。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 常规搅拌摩擦焊 2
1.2.1 常规搅拌摩擦焊的原理 2
1.2.2 常规搅拌摩擦焊的工艺特点 2
1.2.3 搅拌摩擦焊热过程分析 3
1.3 双轴肩搅拌摩擦焊 4
1.3.1 双轴肩搅拌摩擦焊的原理 4
1.3.2 双轴肩搅拌摩擦焊的特点 5
1.3.3 双轴肩搅拌摩擦焊热过程的研究现状 5
1.4 搅拌摩擦焊冷却研究现状 6
1.5 研究内容与目的 7
1.5.1 研究内容 7
1.5.2 研究目的 8
第二章 试验材料、设备及方法 9
2.1 实验材料 9
2.2 试验设备及其原理 9
2.2.1 双轴肩搅拌摩擦焊机 9
2.2.2 BTFSW搅拌头 11
2.2.3 温度检测装置 12
2.3 试验方案 13
2.3. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
1 试验方案设计 13
2.3.2 试验前准备 14
2.3.3 焊接工艺参数的选择 15
2.3.4 焊接接头质量分析 15
2.3.5 焊接接头拉伸试验 17
第三章 焊接结果分析 18
3.1 引言 18
3.2 结果分析 18
3.2.1 焊缝表面成型 18
3.2.2 焊缝金相 20
3.2.3 焊缝硬度 23
3.2.4 拉伸断口形貌 24
3.3 前导区温度与焊接质量关系 26
结 论 29
致 谢 30
参 考 文 献 31
第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
铝合金具有硬度大、熔点低、耐腐蚀性能好等特点，近些年来，在航天航空领域、船舶制造领域、轨道车辆领域等对铝合金材料的需求日益增大，而同时对其焊接要求也逐渐提高。目前国内外经常使用的是惰性气体保护焊即MIG焊以及钨极氩弧焊即TIG 焊来焊接铝合金材料，铝合金的焊接性比较特殊。因此，利用两种熔化焊方法在焊接时容易产生一些问题，例如冶金缺陷中的气孔和裂纹等。搅拌摩擦焊接技术(Friction Stir Welding, FSW) [1]作为一种固相连接技术，在焊接过程中母材并不发生熔化，因此可以避免母材由于熔化从而产生的缺陷。所以搅拌摩擦焊接技术在焊接具有低熔点易氧化焊接性的铝合金材料的焊接应用上具有明显优势。经过二十多年的发展，搅拌摩擦焊已经在很多领域发挥了巨大的作用，但是仍然有着一些局限性。例如，在焊接筒体等大直径结构的环缝时和一些比较特殊位置的焊缝，常规搅拌摩擦焊接经常会遇到装夹问题[2]，解决不了装夹问题，搅拌摩擦焊也将无法使用。但是，这些对传统搅拌摩擦焊进行了改进提升的双轴肩搅拌摩擦焊接技术（Bobbin tool friction stir welding, BTFSW），改善了常规搅拌摩擦焊的局限性，和传统的搅拌摩擦焊接技术相比，双轴肩搅拌摩擦焊接技术有着更特别的优势以及不同的使用前景。
目前为止,欧美等发达国家的搅拌摩擦焊接技术已经趋于成熟,其用来焊接铝合金材料已进入商业化阶段,在我国搅拌摩擦焊领域的研究也如火如荼的进行着[26]，但是国内关于双轴肩搅拌摩擦焊的研究较少。本课题研究的底部散热型的双轴肩搅拌摩擦焊过程，更是在国内外首次研究，对双轴肩搅拌头的底部进行散热，分析了不同焊接状态下的焊接工艺对接头各区域组织与力学性能的影响规律，对进一步揭示BTFSW机理以及其推广有着相当重要的推动意义。
1.2 常规搅拌摩擦焊
1.2.1 常规搅拌摩擦焊的原理
FSW作为一项传统的理想的固相连接方法，具有着低成本和获得良好焊接接头的优势。搅拌摩擦焊其原理示意图如图11所示，利用一个旋转的轴肩和搅拌针组成的搅拌头，焊接过程中，搅拌针插入工件表面，然后沿着接头线旋转水平移动。搅拌头和工件表面经过摩擦产生热量，热量使得搅拌针周围的材料发生软化。与此同时，软化的材料产生从前进侧到后退侧产生了塑性变形，从而形成了固态连接接头。搅拌摩擦焊可以焊接不同的接头，如对接接头，搭接接头，T型接头等等[7]。
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图11 搅拌摩擦焊接原理
1.2.2 常规搅拌摩擦焊的工艺特点
从搅拌摩擦焊的原理我们可以看出，相对传统的熔化焊接方法而言，拥有以下几点优点：
(1) 焊接接头的质量高，避免了熔焊时熔池凝固过程中产生的裂纹、气孔等缺陷。焊缝是在塑性状态下的受挤压完成的，属于固相连接，十分适合焊接具有特殊焊接性的铝合金材料。
(2) 容易实现平板的对接和搭接，在焊接直焊缝、角焊缝以及环焊缝的时候有很大便利，其次还有利于大型筒体制造及大型拼版对接、大型框架结构等。
(3) 焊接时无需填充材料和保护气体，焊接成本降低。在焊接较厚的工件时，工件无需加工坡口。在焊接有氧化膜的材料时，如铝合金材料，只需将表面的油污去除即可。在材料对接时对装配精度无特殊要求，可以留有一定空隙。
(4) 便于实现机械化、自动化操作，质量比较稳定，重复性高。
(5) 焊件有配套的装夹工具，刚性固定较好，焊接时加热温度低，焊件不容易产生变形。这一点熔化焊很难做到，因此搅拌摩擦焊有利于加工工件要求变形小的材料。
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