6063铝合金薄板搅拌摩擦焊接工艺及机理的研究

论文摘要

铝合金质轻而强度高,广泛应用于飞机、舰船、武器、火车、汽车等结构中。但在采用传统的熔化焊接方法进行焊接时,焊缝易产生翘曲变形、表面氧化、热裂纹、气孔、合金元素烧损和焊缝区软化等问题。所以研究新的高效率、高资源利用率、无污染的搅拌摩擦焊接（FSW）技术是十分必要的。搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所（WTI）于1991年发明的一种新型固相连接技术。本课题的目的是,研究焊接热循环并模拟焊缝材料的流体流动,以期得到最优的焊缝组织,实现6063-T6等铝合金薄板的高质量的搅拌摩擦焊接,同时探索用于修复点缺陷的搅拌摩擦焊接技术,促进铝合金和FSW技术的工业化应用。论文的主要内容有以下几个方面：在阅读大量文献的基础上,本文首先论述了铝合金实用的主要焊接方法及其优缺点,对国内外搅拌摩擦焊接技术的发展和研究进行了比较全面的总结。通过大量的工艺参数、搅拌头形状和试验条件的优化试验,实现了5mm厚6063-T6铝合金板材的快速高效高质量的搅拌摩擦焊接。其焊缝的抗拉强度达到母材抗拉强度的93%。试验分析了产生沟槽、飞边、孔洞、隧道孔、吻接、未焊透等缺陷的主要因素。分析了搅拌头主要参数的变化对产热形状因子的影响。较小的对接间隙对焊接质量和成形影响甚微。然后,观察和分析了焊缝多截面的组织特征、焊核区再结晶的晶粒长大速度、焊接过程中焊核区材料的运动形式和特征。分析了焊缝纵截面的半环形特征和横截面洋葱环特征的形成原因。焊缝中一层约19-103μm厚的与搅拌头接触滑动摩擦的材料,流动十分明显,晶粒被完全搅拌破碎。对焊缝进行了力学性能试验,各组织分界面处的硬度明显下降,但是断裂的主要位置并不是后退侧热机影响区,而是前进侧热机影响区。其次,本文基于修正的库仑-阿蒙顿定律,描述了搅拌头和被焊材料的接触面之间的接触滑动摩擦,建立了适用于复杂形状搅拌针的产热模型,并给出了接触摩擦界面上等效应变速率ε的估算值。分析了焊接过程热传导的初始条件和边界条件,对焊缝材料附近的温度进行了数值模拟；焊接试验中,在被焊件两侧距离焊缝不同距离的8个点上安置热电偶,对焊接过程进行了温度测量；得到了测量点处的热循环曲线。对焊接温度的实际测量和数值模拟的结果都表明：焊接区温度峰值不仅仅是超过了材料的初始再结晶温度区间,而且接近6063-T6铝合金组织的开始复熔温度；并且距焊缝中心3.5mm处的温度高于材料初始再结晶温度的时间约为9-110秒钟；焊接初始的预热和热量传递在时间上存在一个过程。论文基于流体质点和连续介质理论模型,建立了高流动层材料的近似流体模型,采用有限体积方法的流场分析结果表明：材料在搅拌头后退侧偏后的位置上发生堆积,而对称的前进侧位置上有产生空洞的趋势,前侧中部的材料向底部的螺旋运动加剧并形成洋葱环特征；焊缝上部的流动材料侧重于层流流动,而下部材料侧重于紊流流动。最后,论文分析了影响搅拌头磨损的主要因素,给出了试验中搅拌头的磨损系数估计值。进行了修复点缺陷的搅拌摩擦焊接探索性的试验,分析了其焊接缺陷；搅拌头转速和向下的焊接速度决定了焊接温度和焊点处材料的流动性,焊接深度不足是焊点底部产生空洞缺陷的主要原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 铝合金焊接研究现状
• 1.2.1 铝合金应用概述
• 1.2.2 钨极惰性气体保护电弧焊
• 1.2.3 熔化极惰性气体保护电弧焊
• 1.2.4 激光焊
• 1.2.5 电阻焊
• 1.2.6 扩散焊
• 1.3 搅拌摩擦焊基本原理及工艺特点
• 1.4 搅拌摩擦焊接工艺试验的研究现状
• 1.4.1 焊接试验的材料
• 1.4.2 焊接工艺试验
• 1.5 搅拌摩擦焊接焊接理论的研究现状
• 1.5.1 焊接物理机理的研究
• 1.5.2 焊接过程的产热数学模型和模拟
• 1.6 国内搅拌摩擦焊接的研究现状
• 1.7 搅拌摩擦焊接的研究趋势和应用
• 1.8 本文的主要研究内容
• 第二章 搅拌摩擦焊接工艺试验研究
• 2.1 试验设备和材料
• 2.1.1 试验设备
• 2.1.2 试验材料
• 2.1.3 焊接试验过程
• 2.2 焊缝的宏观形貌
• 2.3 焊接参数对焊接成形的影响
• 2.4 焊缝质量与缺陷分析
• 2.4.1 焊缝外观缺陷分析
• 2.4.2 焊缝内部缺陷分析
• 2.5 本章小结
• 第三章 搅拌摩擦焊接产热数学模型
• 3.1 焊接过程产热数学模型
• 3.1.1 热输入与摩擦模型
• 3.1.2 轴肩产热数学模型
• 3.1.3 凹端面轴肩时圆台形搅拌针的产热数学模型
• 3.1.4 退化形状的搅拌针产热数学模型
• 3.1.5 搅拌摩擦焊接完整过程和热输入
• 3.2 稳态焊接过程接触滑动摩擦模型
• 3.3 搅拌作用下焊缝塑性变形能的转化散热
• 3.4 温度场基本方程单值性条件
• 3.5 本章小结
• 第四章 搅拌头形状对焊接质量的影响
• 4.1 搅拌头的形状特征分析
• 4.2 焊接倾角对焊接质量的影响
• 4.3 凹端面轴肩对焊接质量的影响
• 4.4 圆台形搅拌针对焊接质量的影响
• 4.5 搅拌针的螺纹特征对焊接质量的影响
• 4.6 搅拌针受力状态分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 焊接温度数值模拟和测量
• 5.1 焊接过程温度场动态数值模拟
• 5.1.1 焊接过程传热学数学模型
• 5.1.2 数值模拟的热源模型
• 5.1.3 温度场模拟与结果分析
• 5.2 搅拌摩擦焊接过程的温度测量与分析
• 5.2.1 焊接试验温度测量
• 5.2.2 焊接温度与工艺分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 焊缝微观组织分析及接头性能
• 6.1 母材组织与制样
• 6.2 水平截面组织分析
• 6.3 纵截面组织分析
• 6.4 横截面组织分析
• 6.4.1 低倍金相组织观察
• 6.4.2 冠状区组织分析
• 6.4.3 焊核区组织分析
• 6.4.4 热机影响区和热影响区组织分析
• 6.4.5 冠状区和焊核区及热机影响区的交界区组织分析
• 6.5 再结晶晶粒长大分析
• 6.6 焊缝的性能分析
• 6.7 本章小结
• 第七章 焊接过程金属流动分析与模拟
• 7.1 焊缝材料的流动分析
• 7.2 待焊表面喷涂金刚石颗粒研究材料流动
• 7.3 三维塑性流体流动的模拟模型
• 7.4 流场模拟与结果分析
• 7.5 本章小结
• 第八章 搅拌头磨损分析和点缺陷修复焊接试验
• 8.1 搅拌头磨损特征和影响因素
• 8.2 搅拌头磨损系数估计
• 8.3 修复点缺陷的搅拌摩擦焊接试验研究
• 8.4 修复点缺陷的焊点缺陷分析
• 8.5 本章小结
• 第九章 总结与展望
• 主要创新点
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表论文、获奖及发明专利情况
• 作者简介