2219鋁合金差速攪拌摩擦焊接特征及接頭組織性能研究.pdf

1、作為固相連接方法，攪拌摩擦焊(FSW)有效解決了高強鋁合金采用傳統(tǒng)熔焊難焊的問題，在航空航天、軌道車輛、船舶制造等領域獲得了應用。對于高強鋁合金，F(xiàn)SW熱循環(huán)足以造成起主要強化作用的沉淀相的改變從而導致接頭性能的降低。目前，主要通過焊后熱處理和強制冷卻進一步提高FSW的接頭性能，但是對于大型鋁合金構件均受到限制。因此，本文提出差速FSW以降低熱循環(huán)對材料的熱軟化作用，最終實現(xiàn)改善接頭微觀組織、提高接頭性能的目的。
　　根據(jù)高強鋁合

2、金差速FSW的特點，合理設計了差速FSW焊具，為深入研究高強鋁合金的差速FSW奠定了基礎。當輔助軸肩轉速為零時，即為靜止軸肩FSW；在靜止軸肩FSW焊具的基礎上，加入輔助軸肩的驅(qū)動組件，通過雙伺服電機驅(qū)動以齒輪嚙合的傳動方式，即實現(xiàn)輔助軸肩轉速不為零的差速FSW。更換不同厚度的輔助軸肩端蓋，可以完成在不同相對下壓量下的差速FSW。應用設計的靜止軸肩FSW和差速FSW焊具，獲得了良好的焊縫成形。
　　對于靜止軸肩FSW，靜止軸肩能有

3、效防止飛邊及孔洞缺陷的形成，因而與無靜止軸肩的小尺寸軸肩 FSW相比顯著拓寬了能獲得良好焊縫成形的工藝區(qū)間。2219-T6鋁合金“內(nèi)深外淺”靜止軸肩FSW接頭，僅在焊縫兩側形成明顯的刮擦區(qū)域，表明輔助軸肩并未對整個焊縫寬度起顯著作用；接頭抗拉強度僅達到307MPa，明顯低于常規(guī)FSW的最優(yōu)接頭性能。“內(nèi)淺外深”靜止軸肩FSW獲得了更平整的焊縫表面成形，接頭抗拉強度與常規(guī)FSW接頭的最大抗拉強度相比顯著提高，達到354MPa。然而，靜止軸

4、肩的下壓量增大導致前進阻力顯著增大，使得小尺寸凹形軸肩與輔助軸肩摩擦增大，對焊接過程和焊具不利。
　　為了獲得高性能的焊接接頭，需要保持小尺寸軸肩與輔助軸肩之間“內(nèi)淺外深”的相對下壓量。因此，通過輔助軸肩轉速不為零的差速FSW以減小前進阻力等焊接過程載荷，從而減小對焊接過程和焊具的不利影響。差速FSW中輔助軸肩對材料塑性流動和塑性變形的作用局限在焊縫近表面層，因而顯著減小了接頭軟化區(qū)寬度和攪拌區(qū)內(nèi)顯微組織在板厚方向上的差異。同時，

5、同向差速FSW和逆向差速FSW均獲得了高于常規(guī)FSW最優(yōu)性能的焊接接頭。根據(jù)顯微硬度分布特征，差速FSW也有利于改善焊接接頭關于焊縫中心的非對稱性?；谟邢拊M，對常規(guī)FSW和差速FSW的溫度場進行了研究并通過實測進行驗證，結果表明：差速FSW與常規(guī)FSW相比，溫度場的高溫區(qū)域更小，焊接接頭各區(qū)域的峰值溫度降低、高溫停留時間減短。對于逆向差速FSW，主軸轉速和輔助軸肩轉速對焊接接頭各區(qū)域的峰值溫度影響顯著，而焊接速度對高溫停留時間影響

6、顯著。根據(jù)溫度場模擬結果，按照網(wǎng)格劃分通過離散化方法計算焊接過程載荷。逆向差速 FSW的軸向壓力、前進阻力和主軸扭矩與靜止軸肩FSW相比顯著降低，但是軸向壓力和前進阻力與常規(guī) FSW相比略微增大而主軸扭矩和作用在工件上的總扭矩則顯著降低。輔助軸肩轉速對焊接過程載荷的影響顯著，也證實了通過逆向差速FSW降低焊接載荷的有效性和可行性。
　　深入研究逆向差速FSW接頭組織性能的演變規(guī)律，并實現(xiàn)了工藝參數(shù)的優(yōu)化。相比常規(guī)FSW和旨在提高接

7、頭性能的水浸FSW，逆向差速FSW顯著拓寬了能獲得良好焊縫成形和高性能接頭的工藝區(qū)間。接頭性能及拉伸斷裂位置取決于接頭各區(qū)域的微觀組織演變。熱影響區(qū)主要發(fā)生亞穩(wěn)相的粗化和部分向穩(wěn)定相的轉變，并且粗化過程伴隨著小尺寸沉淀相的溶解。熱機影響區(qū)主要發(fā)生亞穩(wěn)相向穩(wěn)定相的轉變和向基體的溶解，沉淀相是以塊狀的穩(wěn)定相為主，但是低熱輸入量的條件下仍然殘留一定的亞穩(wěn)相。在高溫和大塑性變形的共同作用下，軸肩作用區(qū)(SAZ)和焊核區(qū)(WNZ)中原始亞穩(wěn)相基本

8、完全發(fā)生向穩(wěn)定相的轉變或向基體的溶解，但是SAZ中溶解程度更大、分布密度更低。在高熱輸入量(主軸轉速過大或焊接速度過低)的焊接條件下，SAZ內(nèi)也有少量亞穩(wěn)相在焊后冷卻過程中重新析出，該過程不僅與高溫停留時間有關，峰值溫度和塑性變形程度也起到重要的作用。但是，WNZ中并不存在亞穩(wěn)相的再析出。根據(jù)拉伸性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，采用基于Box-Behnken試驗設計的響應面法，建立抗拉強度與工藝參數(shù)間的二階響應模型，得出R1075W225r5