6013t4和7003异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究(附件)【字数：11651】
摘 要摘 要采用不同的焊接参数对2.8mm后的6013-T4和7003两种铝合金进行搅拌摩擦焊对接。利用金相显微镜、电子万能试验机、扫描电子显微镜等方法，研究了焊缝表面形貌、金相组织、接头拉伸性能、高倍电镜下微观组织以及交换焊接前进侧后退侧后的各项参数变化。结果表明，采用搅拌摩擦焊可获得高质量的6013-T4和7003异种铝合金对接接头；搅拌头转速在800r/min、焊速在400mm/min时可以获得好的焊缝成形，接头抗拉强度可达到308MPa；在改变前进侧与后退侧后即7003铝合金为前进侧，6013铝合金为后退侧，焊接接头抗拉强度降低，交换后接头强度为交换前的93%~95%。关键词搅拌摩擦焊；异种铝合金；力学性能；微观组织
目录
第一章 绪论 1
1.1异种铝合金搅拌摩擦焊研究背景及意义 1
1.1.1铝合金搅拌摩擦焊背景 1
1.1.2搅拌摩擦焊原理 1
1.1.4异种铝合金搅拌摩擦焊的国内外研究现状 6
第二章 试验材料、设备及方法 8
2.1试验材料 8
2.2试验方法与设备 8
2.2.1焊接工艺试验 8
2.2.2接头拉伸试验 9
2.2.3金相组织分析 10
2.2.4断口形貌分析 10
2.2.5物相分析试验 10
第三章 试验结果及分析 12
3.1不同焊接速度对焊缝成形的影响 12
3.1.1不同焊接速度对焊缝成形的影响 12
3.1.2 7003为前进侧，6013为后退侧对焊缝成形的影响 17
3.2不同焊接参数对焊缝拉伸强度的影响 19
3.2.1 不同焊接速度对焊缝强度的影响 19
3.2.2 改变前进后退侧对接头抗拉强度的影响 22
3.3微观组织对接头抗拉强度的影响 24
3.3.1 不同焊接速度下的微观组织金相分析 24
3.3.2 500mm/min焊接速度的焊缝微观组织性能分析 28
3.3.3 400mm/min焊接速度的焊缝微观组织性能分析 31
参考文献 39 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第一章 绪论
1.1异种铝合金搅拌摩擦焊研究背景及意义
1.1.1铝合金搅拌摩擦焊背景
搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，简称FSW）是由英国焊接研究所（The Welding Institule，简称TWI）针对焊接性差的铝合金、镁合金等轻质有色金属，在1991年开发的一种新型固相连接技术[1]。当然，搅拌摩擦焊有它独特的优点，比如，用较低的能耗得到高的效率、较高的接头质量、低于母材熔点的搅拌温度、接头残余应力小、小的焊接变形、环保健康的焊接环境等等。搅拌摩擦焊也是有色金属焊接时优先选择的焊接方法，还在在轨道交通运输、高标准船舶制造、航天、航空工程化应用、核能工业、石油化工等等领域有着非常广阔的应用前途。
铝合金密度小决定它质量轻，表面致密的氧化膜导致它耐腐蚀，还有较高的比强度。它还既容易成形又能拥有不错的力学性能，再加上无磁性，低温性，铝合金在工程建造、工业制造、石油化工、交通运输和电力电子等等领域有着广泛的应用。
传统熔焊方法对铝合金有较多方面的限制，比如，铝合金外表有一层致密的三氧化二铝氧化膜有较高的熔点，再加上铝较大的比热容，会浪费大量热输入。同时，铝有较好的热导率，导热速度又非常快，线膨胀系数更是金属中比较好的，这样环环累积，导致铝合金熔焊时焊接变形比较大，且会伴有大量的气孔缺陷。
1.1.2搅拌摩擦焊原理
1.1.2.1焊接过程与区域分布
搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，是由搅拌头以一定速度旋转轧入待焊材料中，直到轴肩和待焊材料表面接触（焊接过程如图1所示）。待焊材料和搅拌头相互接触，搅拌头不断转动摩擦产生热量。这样越靠近搅拌区域的地方热输入就越大，会在搅拌头附近形成螺旋状的塑性层。搅拌摩擦焊接工具的主要组成的部分有加持作用的夹具、轴肩和搅拌针。当然，待焊板材得用夹具夹紧不能松动，焊接过程中禁止出现板材滑动或者偏离的现象。搅拌针直径通常为轴肩直径的三分之一，长度比板材的厚度稍稍短些。搅拌头和待焊材料之间有一定的角度，一般在2~5度之间，这样焊接材料与搅拌头之间的摩擦阻力就会减小，有利于焊接过程的顺利进行，也可以避免搅拌针由于过大的阻力折断在板材里。搅拌头附近的塑性层随着焊接过程从搅拌针的前部向着后面移动，搅拌针不断往前走，搅拌头后部的材料没有之前大量的热输入，就会冷却形成焊缝，实现固相连接。
/
图11 搅拌摩擦焊焊接过程示意图
搅拌摩擦焊接头一般分为四块区域，一是焊核区（Weld Nugget Zone，NZ）、热机械影响区（Thermal Mechanical Affected Zone，TMAZ）、热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）和母材（Base Metal，BZ）,具体如图12所示。
图12 搅拌摩擦焊接头区域分布示意图
由图中可以看出，搅拌针轴肩的下部区域，焊核的上部区域是一种形似鸡冠状区域。这块区域的特殊位置决定了搅拌轴肩的机械运动热作用是比搅拌头旋转搅拌作用更加强烈的。
搅拌摩擦焊的NZ区域的微观晶粒明显比TMAZ区和HAZ区的晶粒小，这是由于搅拌摩擦焊时NZ区的晶粒发生了更加细小、均匀的再结晶过程，如图13所示。材料的宏观性能由微观组织决定，而更加细小的晶粒能使材料的强度大大加强，同时更可以改善材料的塑性和韧性。当遇到外加力量时，细小的晶粒之间应变度的差距较小，形变程度相互差别也会相应减小，应力集中的现象会被大大减少，相应的材料出现裂纹的机会也会降低，同样材料的延展性也会增加。当然裂纹的出现率也会相应减小，需要的能量也越大，越不容易出现，宏观表现出来的性能就是材料的韧性和塑性好。所以焊核区得到细小的晶粒，是可以改善焊缝材料的力学性能的。
/
图13 焊核区和热机影响区微观组织
Fig.13 microstructure of the nugget zone and thermal mechanical affected Zone
搅拌摩擦焊中除了微观四个区域，还要区分前进侧和后退侧，区分搅拌头前部和尾部。前进侧（Advancing Side，AS）是描述搅拌头的转动速度方向和焊接速度方向一致的一侧，后推侧（Retreating Side，RS）是描述搅拌头的转动速度方向和焊接速度方向相反的一侧，搅拌头前部和尾部是以y轴呈对称分布。
目录
第一章 绪论 1
1.1异种铝合金搅拌摩擦焊研究背景及意义 1
1.1.1铝合金搅拌摩擦焊背景 1
1.1.2搅拌摩擦焊原理 1
1.1.4异种铝合金搅拌摩擦焊的国内外研究现状 6
第二章 试验材料、设备及方法 8
2.1试验材料 8
2.2试验方法与设备 8
2.2.1焊接工艺试验 8
2.2.2接头拉伸试验 9
2.2.3金相组织分析 10
2.2.4断口形貌分析 10
2.2.5物相分析试验 10
第三章 试验结果及分析 12
3.1不同焊接速度对焊缝成形的影响 12
3.1.1不同焊接速度对焊缝成形的影响 12
3.1.2 7003为前进侧，6013为后退侧对焊缝成形的影响 17
3.2不同焊接参数对焊缝拉伸强度的影响 19
3.2.1 不同焊接速度对焊缝强度的影响 19
3.2.2 改变前进后退侧对接头抗拉强度的影响 22
3.3微观组织对接头抗拉强度的影响 24
3.3.1 不同焊接速度下的微观组织金相分析 24
3.3.2 500mm/min焊接速度的焊缝微观组织性能分析 28
3.3.3 400mm/min焊接速度的焊缝微观组织性能分析 31
参考文献 39 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
第一章 绪论
1.1异种铝合金搅拌摩擦焊研究背景及意义
1.1.1铝合金搅拌摩擦焊背景
搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding，简称FSW）是由英国焊接研究所（The Welding Institule，简称TWI）针对焊接性差的铝合金、镁合金等轻质有色金属，在1991年开发的一种新型固相连接技术[1]。当然，搅拌摩擦焊有它独特的优点，比如，用较低的能耗得到高的效率、较高的接头质量、低于母材熔点的搅拌温度、接头残余应力小、小的焊接变形、环保健康的焊接环境等等。搅拌摩擦焊也是有色金属焊接时优先选择的焊接方法，还在在轨道交通运输、高标准船舶制造、航天、航空工程化应用、核能工业、石油化工等等领域有着非常广阔的应用前途。
铝合金密度小决定它质量轻，表面致密的氧化膜导致它耐腐蚀，还有较高的比强度。它还既容易成形又能拥有不错的力学性能，再加上无磁性，低温性，铝合金在工程建造、工业制造、石油化工、交通运输和电力电子等等领域有着广泛的应用。
传统熔焊方法对铝合金有较多方面的限制，比如，铝合金外表有一层致密的三氧化二铝氧化膜有较高的熔点，再加上铝较大的比热容，会浪费大量热输入。同时，铝有较好的热导率，导热速度又非常快，线膨胀系数更是金属中比较好的，这样环环累积，导致铝合金熔焊时焊接变形比较大，且会伴有大量的气孔缺陷。
1.1.2搅拌摩擦焊原理
1.1.2.1焊接过程与区域分布
搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，是由搅拌头以一定速度旋转轧入待焊材料中，直到轴肩和待焊材料表面接触（焊接过程如图1所示）。待焊材料和搅拌头相互接触，搅拌头不断转动摩擦产生热量。这样越靠近搅拌区域的地方热输入就越大，会在搅拌头附近形成螺旋状的塑性层。搅拌摩擦焊接工具的主要组成的部分有加持作用的夹具、轴肩和搅拌针。当然，待焊板材得用夹具夹紧不能松动，焊接过程中禁止出现板材滑动或者偏离的现象。搅拌针直径通常为轴肩直径的三分之一，长度比板材的厚度稍稍短些。搅拌头和待焊材料之间有一定的角度，一般在2~5度之间，这样焊接材料与搅拌头之间的摩擦阻力就会减小，有利于焊接过程的顺利进行，也可以避免搅拌针由于过大的阻力折断在板材里。搅拌头附近的塑性层随着焊接过程从搅拌针的前部向着后面移动，搅拌针不断往前走，搅拌头后部的材料没有之前大量的热输入，就会冷却形成焊缝，实现固相连接。
/
图11 搅拌摩擦焊焊接过程示意图
搅拌摩擦焊接头一般分为四块区域，一是焊核区（Weld Nugget Zone，NZ）、热机械影响区（Thermal Mechanical Affected Zone，TMAZ）、热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）和母材（Base Metal，BZ）,具体如图12所示。
图12 搅拌摩擦焊接头区域分布示意图
由图中可以看出，搅拌针轴肩的下部区域，焊核的上部区域是一种形似鸡冠状区域。这块区域的特殊位置决定了搅拌轴肩的机械运动热作用是比搅拌头旋转搅拌作用更加强烈的。
搅拌摩擦焊的NZ区域的微观晶粒明显比TMAZ区和HAZ区的晶粒小，这是由于搅拌摩擦焊时NZ区的晶粒发生了更加细小、均匀的再结晶过程，如图13所示。材料的宏观性能由微观组织决定，而更加细小的晶粒能使材料的强度大大加强，同时更可以改善材料的塑性和韧性。当遇到外加力量时，细小的晶粒之间应变度的差距较小，形变程度相互差别也会相应减小，应力集中的现象会被大大减少，相应的材料出现裂纹的机会也会降低，同样材料的延展性也会增加。当然裂纹的出现率也会相应减小，需要的能量也越大，越不容易出现，宏观表现出来的性能就是材料的韧性和塑性好。所以焊核区得到细小的晶粒，是可以改善焊缝材料的力学性能的。
/
图13 焊核区和热机影响区微观组织
Fig.13 microstructure of the nugget zone and thermal mechanical affected Zone
搅拌摩擦焊中除了微观四个区域，还要区分前进侧和后退侧，区分搅拌头前部和尾部。前进侧（Advancing Side，AS）是描述搅拌头的转动速度方向和焊接速度方向一致的一侧，后推侧（Retreating Side，RS）是描述搅拌头的转动速度方向和焊接速度方向相反的一侧，搅拌头前部和尾部是以y轴呈对称分布。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/hxycl/jscl/205.html
