高强铝合金搅拌摩擦焊接头组织及薄弱区研究

论文摘要

7050铝合金是航空工业广泛应用的一类重要结构材料,用传统弧焊焊接时,焊缝经常会产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新型的固相连接方法,它的问世被证实能够避免熔焊焊接易产生的热裂纹、脆性相、残余应力高等缺陷,尤其在以前所谓不可焊接的2000系列、7000系列高强铝合金方面更受亲睐。7050铝合金搅拌摩擦焊接头横截面由焊核区（Nugget）、热-机影响区（TMAZ）、热影响区和母材区四部分组成,焊核区由细等轴的再结晶晶粒组成,热-机影响区由变形梯度较大的弧形晶粒组成,热影响区由粗大的母材晶粒组成。焊接参数：如搅拌头尺寸、搅拌头形状、搅拌头材质、搅拌针旋转速度、搅拌针前进速度、下压力的大小任何一个因素的改变都会影响接头的微观组织。本文侧重对搅拌针旋转速度,旋转速度与前进速度的比值这两个重要参数对搅拌头组织的影响进行研究。采用光学显微镜、扫面电镜、透射电镜等研究了无缺陷理想接头中焊核区、热-机影响区、热影响区各区的组织特征。试验证明：焊核区组织高倍下观察由细等轴晶构成,低倍下为一簇簇的环组成,类似洋葱的截面,取名“洋葱环”,环的出现是第二相粒子再分布的结果,是由粒子的富集带和粒子的贫乏区间隔构成的。各区位错密度的变化非常明显,析出相的分布、数量、形态差异明显。焊核区主要为热循环过程中未溶解的高温稳定相,热-机影响区既有粗化的析出相又有再析出的细小圆盘状析出相,热影响区晶界析出相粗化且呈连续分布,晶界无析出区数量增多,总之,这样的微观结构决定了其接头的硬度分布特征近似为“W”型。热-机影响区、热影响区都有可能成为焊接接头的薄弱区,热-机影响区根部出现“树根”型粒子贫乏区时,该区域成为接头的最薄弱区；当然,热-机影响区无缺陷时,热影响区的粗化成为接头性能低的主要因素,此时热影响区成为接头的最薄弱环节。热-机影响区成为最薄弱区时,焊接态接头的强度系数（接头强度与母材强度的比值）较低,焊后的固溶时效处理难以提高接头强度。热影响区成为最薄弱环节时,接头的强度系数较高,焊后的固溶时效处理可进一步提高接头的强度。7050铝合金属时效强化铝合金,焊后的固溶时效处理显得尤为重要。但是,铝合金属于典型的热的不稳定材料,加热到高温时很容易出现晶粒的异常长大现象,影响这种异常长大的因素除了常规的保温温度和保温时间外,因焊接参数的改变,接头组织不同,热的不稳定性不同。搅拌针旋转速度的平方与行走速度的比值更能代表铝合金7050接头热的不稳定性,比值小,接头固溶时稳定性差,焊核区易出现晶粒的异常长大；比值大,接头固溶时相对稳定。提高固溶加热速率可抑制或降低接头热的不稳定性,加热速率高于900℃/h,固溶处理时接头不再出现晶粒的异常长大。再次,固溶保温后,提高冷却液的冷却速度、细化强化相的粒子尺寸也是进一步提高接头强度的途径。焊接态的接头其拉伸实验中的断裂位置与焊接参数有关,转速与焊速比约为10的接头,热影响区成为最薄弱的区域,拉伸断裂都发生在热影响区,经过合理有效的固溶时效处理后,断裂位置移向焊核区。提高转速与焊速比,该比值等于15时,不论焊接态、固溶时效态的接头断裂始终在焊核与热-机影响区的交界处。该处始终是接头的薄弱区。综上所述,本论文在前人研究的基础上,对高强铝合金搅拌摩擦焊理想接头的组织演化及薄弱区做了分析,对焊后热处理中影响组织的因素做了详尽的调查,找到了提高接头性能的有效措施,论文的研究对于推动铝合金7050的搅拌摩擦焊在航天及其它工业应用中的应用有重要的理论和实际意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 焊接缺陷
• 1.2.2 微观组织
• 1.2.3 接头硬度
• 1.2.4 强化相与力学性能
• 1.2.5 组织稳定性
• 1.2.6 氧化物的影响
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 高强铝合金7050搅拌摩擦焊后的焊缝组织和性能
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料及方法
• 2.2.1 试验方法
• 2.2.2 金相试样
• 2.2.3 透射试样
• 2.2.4 硬度试样
• 2.3 试验结果及分析
• 2.3.1 接头微观组织
• 2.3.1.1 焊核区
• 2.3.1.2 热-机影响区
• 2.3.1.3 热影响区
• 2.3.2 接头各区的沉淀相
• 2.3.3 位错密度的变化
• 2.3.4 显微硬度
• 2.4 本章小结
• 第3章 焊接热输入对高强铝合金7050搅拌摩擦焊接头的组织及性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 试验材料及方法
• 3.2.1 实验材料
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 试验结果及分析
• 3.3.1 搅拌摩擦焊热输入的表征
• 3.3.2 单位线能量对焊缝表面成形的影响
• 3.3.3 焊缝金属的塑性流动
• 3.3.3.1 金属软化过程
• 3.3.3.2 搅拌摩擦过程中金属塑性流动行为
• 3.3.4 不同焊接热输入下焊缝的微观组织
• 3.3.4.1 焊核区微观组织
• 3.3.4.2 热-机影响区微观组织
• 3.3.5 相同焊接热输入下焊缝的微观组织
• 3.3.5.1 焊核区微观组织
• 3.3.5.2 热-机影响区微观组织
• 3.4 试验结果分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 接头在不同热处理状态下的组织
• 4.1 引言
• 4.2 试验材料和方法
• 4.2.1 实验材料
• 4.2.2 试验方法
• 4.3 试验结果和讨论
• 4.3.1 450℃固溶处理后各区微观组织
• 4.3.1.1 宏观形貌
• 4.3.1.2 焊核区微观组织
• 4.3.1.3 热-机影响区微观组织
• 4.3.2 450℃固溶+120℃时效处理后各区微观组织
• 4.3.2.1 焊核区微观组织
• 4.3.2.2 热-机影响区微观组织
• 4.3.3 470℃固溶处理后各区微观组织
• 4.3.3.1 宏观形貌
• 4.3.3.2 固溶处理后焊核区微观组织
• 4.3.3.3 固溶处理后热-机影响区微观组织
• 4.3.4 470℃固溶+120℃时效处理后各区微观组织
• 4.3.4.1 焊核区微观组织
• 4.3.4.2 热-机影响区微观组织
• 4.3.5 490℃固溶处理后各区微观组织
• 4.3.5.1 宏观形貌
• 4.3.5.2 接头各区微观组织
• 4.3.6 480℃固溶处理时不同加热速率下接头的宏观形貌
• 4.3.7 480℃固溶处理及时效后各区微观组织
• 4.3.8 固溶时效处理后接头析出相分布
• 4.3.8.1 焊接态接头中的析出相
• 4.3.8.2 固溶时效后接头中的析出相
• 4.4 搅拌摩擦焊接头强化机理分析
• 4.4.1 微观组织的强化
• 4.4.1.1 固溶强化机制
• 4.4.1.2 位错强化机制
• 4.4.1.3 晶界强化机制
• 4.4.1.4 第二相强化机制
• 4.4.2 各种强化机制在搅拌摩擦焊接头中的分析
• 4.5 搅拌摩擦焊接头固溶强化时热的不稳定性
• 4.5.1 晶粒长大
• 4.5.2 晶粒的稳定形状
• 4.5.3 影响晶粒长大的因素
• 4.5.4 晶粒的异常长大
• 4.5.5 搅拌摩擦焊接头微观组织特点
• 4.5.6 焊接工艺参数对接头热的不稳定性的影响
• 4.5.6.1 单道焊接参数下热的不稳定性
• 4.5.6.2 多道焊接参数下热的不稳定性
• 4.5.7 应变对异常长大的影响
• 4.5.8 异常长大原因分析
• 4.5.9 晶粒异常长大小结
• 4.6 本章小结
• 第5章 搅拌摩擦焊接头的力学性能
• 5.1 引言
• 5.2 试验方法
• 5.2.1 热处理
• 5.2.2 硬度测量
• 5.2.3 疲劳裂纹扩展试验
• 5.2.4 拉伸试样
• 5.2.5 断口形貌
• 5.3 实验结果及分析
• 5.3.1 焊接态硬度
• 5.3.2 不同温度保温后的微观组织
• 5.3.3 不同温度保温后的析出相分布
• 5.3.4 焊接态接头力学性能
• 5.3.4.1 断裂位置
• 5.3.4.2 焊接态接头拉伸强度
• 5.3.4.3 焊接态接头疲劳性能
• 5.3.4.4 焊接态接头断口
• 5.3.5 热处理后接头力学性能
• 5.3.5.1 热处理后接头拉伸强度
• 5.3.5.2 固溶处理后接头断口形貌
• 5.3.5.3 固溶时效处理后接头断口形貌
• 5.4 本章小结
• 结论、创新点及展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间发表的学术论文目录）