超高強鋁合金非對稱回填式FSSW成形特征與接頭組織性能.pdf

1、7B04超高強鋁合金由于其優(yōu)異的力學性能，在航空航天領域得到廣泛的應用。為了防止其在服役過程中發(fā)生腐蝕，通常在板材表面覆有一層純鋁組成的包覆鋁層；回填式攪拌摩擦點焊(FSSW)作為一種新型固相點焊技術，可有效消除常規(guī)FSSW接頭存在的匙孔，從而提高接頭的承載能力。對于帶有包覆鋁的7B04鋁合金回填式FSSW，當焊接熱輸入較小時，材料熱膨脹體積的增加無法彌補材料溢出所造成的體積損失，從而導致接頭產(chǎn)生環(huán)溝槽及孔洞缺陷。提高焊接熱輸入又會造成

2、攪拌區(qū)(SZ)內(nèi)的包覆鋁帶進入接頭承載時的高應力區(qū)，從而成為接頭失效的裂紋源。針對以上問題，本文提出非對稱回填式FSSW新工藝，通過提高焊接回填階段攪拌針的下扎速率來彌補材料的體積損失，從而實現(xiàn)在較小的焊接熱輸入下獲得無焊接缺陷的回填式FSSW接頭，最終達到提高接頭力學性能的目的。
　　研究了焊接溫度場、流場及材料的變形行為，建立了非對稱回填式FSSW三維熱力耦合有限元模型，采用數(shù)值模擬的方法對焊接過程進行了揭示。結果表明，非對稱

3、回填式FSSW的溫度場關于焊點中軸線呈中心對稱。焊接過程中SZ在厚度方向上存在較大的溫度梯度，最高溫度超過沉淀相的固溶溫度，在較大的扎入深度、較高的轉速及較小的運動速率下，SZ最高溫度超過材料的固相線溫度。熱機影響區(qū)(TMAZ)最高溫度超過沉淀相的固溶溫度而低于材料的固相線溫度。熱影響區(qū)(HAZ)的最高溫度超過沉淀相的粗化溫度而低于其固溶溫度。被焊材料在焊具的驅動下圍繞焊點中軸線呈圓周流動。在焊接扎入階段，攪拌套下方材料由外側相中心匯聚

4、，并由攪拌套底部向攪拌套空腔上部填充。在焊接的回填階段，攪拌套空腔內(nèi)材料由上向下流出空腔，到達空腔底部后由焊點中心向外側流動。隨著攪拌套扎入深度的增加被焊材料的應變速率沒有明顯變化，其應變量有所增加。較大的焊具轉速可提高被焊材料的應變速率，進而增加其應變量。隨著攪拌套運動速率的降低塑性材料的應變速率有所降低，而應變量有所增加。
　　研究了焊點形貌特征及接頭微觀組織的演變規(guī)律，提出了共晶組織及液化裂紋的形成機制。結果表明，焊后搭接界

5、面原始的包覆鋁層在SZ內(nèi)重新分布，形成U形的包覆鋁帶形貌，SZ外側原始搭接界面向上遷移，從而形成上翹的Hook形貌。隨著焊接熱輸入的增加，包覆鋁帶彎曲程度及Hook高度均有所增加。SZ發(fā)生連續(xù)動態(tài)再結晶，初始沉淀相發(fā)生完全固溶，在隨后的冷卻階段析出η及E相。隨著焊接熱輸入的增加，SZ內(nèi)晶粒及析出沉淀相的尺寸有所增加。高熱輸入條件下SZ溫度超過鋁合金的固相線溫度，晶界處溶質富集區(qū)發(fā)生熔化，冷卻時產(chǎn)生共晶組織。更高的焊接熱輸入導致連續(xù)分布的

6、液化層形成，材料的劇烈塑性流動使液化層被撕裂，從而形成液化裂紋。TMAZ引入大量增殖位錯，晶粒發(fā)生扭曲，沉淀相發(fā)生粗化及向穩(wěn)定相轉化，其密度有所降低。隨著焊接熱輸入的增加，TMAZ內(nèi)晶粒扭曲程度及位錯密度有所增加，沉淀相密度有所降低。HAZ在焊接熱作用下沉淀相發(fā)生粗化，隨著焊接熱輸入的增加，沉淀相粗化程度有所增加。
　　研究了接頭力學性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律，實現(xiàn)了工藝優(yōu)化。在拉剪載荷作用下接頭高應力區(qū)位于Hook尖端及SZ外部。

7、隨著攪拌套扎入深度、焊具轉速以及攪拌套運動速率的增加，接頭的拉剪失效載荷均呈先上升后下降的趨勢。接頭主要以界面斷裂，混合斷裂以及紐扣斷裂三種模式發(fā)生失效。建立了焊接參數(shù)與接頭拉剪失效載荷之間的二階響應模型并進行了工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到的最佳工藝參數(shù)為：攪拌套扎入深度p=2.92mm，焊具轉速ω=1494rpm以及攪拌套運動速率rs=1mm/s，所獲得最優(yōu)接頭的拉剪失效載荷為10912N。提出獲得高力學性能接頭的條件為：SZ內(nèi)包覆鋁帶具有足