鋁合金厚板攪拌摩擦焊工藝研究.pdf

1、鋁合金厚板在制造業(yè)有廣泛的應(yīng)用，研究厚板焊接技術(shù)，以提高厚板作為結(jié)構(gòu)件的整體強(qiáng)度，具有重要的實(shí)用價(jià)值。攪拌摩擦焊技術(shù)自發(fā)明以來(lái)，得到長(zhǎng)足發(fā)展，國(guó)外厚板攪拌摩擦焊接技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的研究尚處初步階段。在厚板攪拌摩擦焊中，存在的主要問(wèn)題是沿板厚方向溫度梯度較大，下層金屬溫度偏低、金屬塑性流動(dòng)不充分，因而下層是接頭性能的薄弱環(huán)節(jié)。 本論文針對(duì)14mmLF21厚板采用攪拌摩擦焊技術(shù)對(duì)接，開發(fā)出了適合鋁合金厚板對(duì)接的攪拌

2、頭及焊接工藝。本論文的主要研究?jī)?nèi)容為：鋁合金厚板攪拌摩擦焊攪拌頭設(shè)計(jì)制造、鋁合金厚板攪拌摩擦焊對(duì)接工藝優(yōu)化、厚板對(duì)接接頭分層性能研究。試驗(yàn)中分別采用拉伸試驗(yàn)、金相試驗(yàn)及顯微硬度等試驗(yàn)對(duì)接頭性能及組織進(jìn)行評(píng)定。 本論文試驗(yàn)研究中，分別采用GCr15軸承鋼、W18Cr4V工具鋼和9341高速工具鋼三種材料制作攪拌頭，幾何形狀設(shè)計(jì)成螺紋開槽型和Whisk螺紋開槽型（攪拌針頂部加工成攪拌器形狀）。試驗(yàn)表明，采用GCr15、W18Cr4V

3、制作的攪拌頭在一定工藝條件下發(fā)生針扭彎、斷折現(xiàn)象，不適合厚板焊接工藝。 在焊接工藝參數(shù)組合優(yōu)化試驗(yàn)中，對(duì)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱途徑進(jìn)行了探索，研究表明，攪拌摩擦焊的熱輸入主要包括兩部分：摩擦產(chǎn)熱和塑性變形潛熱。當(dāng)焊接速度小于某一臨界值時(shí)，塑性變形產(chǎn)熱影響明顯，隨焊接速度的增大，塑性變形熱在焊縫熱輸入中所占的比例提高，“溫度效應(yīng)”顯著，此時(shí)增大焊接工藝參數(shù)有利于焊縫成形。當(dāng)焊接工藝參數(shù)超過(guò)一定的值時(shí)，塑性變形熱在焊縫熱輸入中所占的比例降

4、低，“溫度效應(yīng)”減弱，且由于焊接速度的提高使得焊接線能量減小。此時(shí)，焊接速度的增大不利于焊縫成形。 試驗(yàn)中，分別改變焊接速度和旋轉(zhuǎn)速度，確定工藝參數(shù)對(duì)接頭抗拉強(qiáng)度的影響。當(dāng)采用Whisk螺紋開槽攪拌頭，旋轉(zhuǎn)速度選定1200R/min，焊接速度在120mm/min至190mm/min間變化時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度均能達(dá)到母材的97％以上；選定焊接速度F＝150mm/min，旋轉(zhuǎn)速度在1000R/min至1400R/min間改變時(shí)，其接頭抗

5、拉強(qiáng)度均在母材的96％以上。而選用螺紋開槽攪拌頭，選定旋轉(zhuǎn)速度1200R/min，得到成形較好的焊縫的焊接速度可調(diào)范圍比Whisk攪拌頭小。焊接速度從130mm/min增至170mm/min時(shí)，其接頭抗拉強(qiáng)度先減小后增大，最小值為母材的84.3％，遠(yuǎn)低于采用Whisk螺紋開槽攪拌頭。而選定焊接速度F＝150mm/min，旋轉(zhuǎn)速度從1000R/min增至1400R/min時(shí)，接頭抗拉強(qiáng)度隨旋轉(zhuǎn)速度的增加而減小，抗拉強(qiáng)度的差值約20MPa。

6、由此可見，Whisk螺紋開槽攪拌頭比螺紋開槽攪拌頭工藝適應(yīng)性好，有利于得到抗拉強(qiáng)度性高的對(duì)接接頭。 本文研究中還進(jìn)行了接頭分層性能測(cè)試、金相組織及顯微硬度試驗(yàn)。將采用Whisk螺紋開槽攪拌頭焊接的接頭加工成分層拉伸試樣，進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，接頭下層的抗拉強(qiáng)度與上層、中層基本一致。金相試驗(yàn)中，可以觀察到LF21厚板攪拌摩擦焊對(duì)接接頭主要區(qū)域?yàn)楹负藚^(qū)(Nugget)、熱機(jī)械影響區(qū)(Thermal Mechanical Affected Z

7、one,簡(jiǎn)稱TMAZ)、熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,簡(jiǎn)稱HAZ)、母材(Base Material)。其接頭是在摩擦及攪拌綜合作用下形成的，塑性金屬的流變關(guān)于焊縫中心不對(duì)稱。焊縫區(qū)域非穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的“洋蔥環(huán)”形貌貫穿整個(gè)板厚方向，焊縫中心中、下層為細(xì)小的等軸晶。顯微硬度試驗(yàn)表明，中層顯微硬度略高，上、下層數(shù)值相近，中層約高出4HV。這與分層拉伸試驗(yàn)結(jié)果一致，接頭各層性能較均一。 攪拌摩擦焊接頭是在摩擦和攪拌綜合作