搅拌摩擦焊接工艺对Al-12.7Si-0.7Mg合金组织和性能的影响

论文摘要

搅拌摩擦焊接是一种新型的固相连接技术,具有接头质量高、焊接变形小、低成本等优点,是铝合金优选的焊接方法。最近,一种高Si含Mg变形铝合金已开发成功。与目前广泛应用的6063铝合金相比,这种Al-Si-Mg合金在力学性能上表现出明显的优势,因此具有广泛的应用前景,但是关于该材料搅拌摩擦焊接性能的研究尚未开展。采用搅拌摩擦处理（FSP）方法对3mm厚度Al-12.7Si-0.7Mg热挤压合金板进行焊接。对焊接过程中的搅拌头下压力和焊缝中心的温度变化数据进行实时监测,利用X射线检测、金相观察等方法研究了FSP工艺参数和组织演变与缺陷形成的关系,并计算各工艺参数下的热输入值,从而确定最优的焊接工艺参数匹配区间。在FSP优化工艺参数匹配区间内进行搅拌摩擦焊（FSW）实验,并对其接头进行组织和性能的研究。此外,自行设计并制造了用于搅拌摩擦焊接过程的Z轴下压力数据采集工作台,并在传统的铣床上进行了FSP实验测试,实现了搅拌摩擦焊接过程的Z轴下压力数据采集。得到的主要结论如下：1.在选用的FSP工艺参数下,焊缝的缺陷主要有飞边和孔洞两类缺陷。热输入在2.39-7.09μπJ之间时,可以避免这些焊接缺陷的产生,进而得到几组优化的FSP工艺参数：（1）搅拌头旋转速度为600rpm,对应焊接速度范围200-400mm/min。（2）焊接速度为800mm/min,对应搅拌头旋转速度范围1200～2000rpm。（3）焊接速度为200mm/min,对应搅拌头旋转速度范围600～800rpm。2.FSW接头焊核区的显微硬度较高,热机影响区与热影响区硬度较低,后退侧的显微硬度高于前进侧。在前进侧热影响区存在一个硬度较小的软化区域。3.采用FSW工艺参数为搅拌头旋转速度600rpm、焊接速度200mm/min的焊缝成形良好、无焊接缺陷且力学性能最优,其抗拉强度为197.5MPa,为母材的100.76%,其屈服强度为107.5MPa,延伸率为9.94%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 铝硅合金的相关知识
• 1.2.1 铝硅合金的组织
• 1.2.2 铝硅合金的性能
• 1.2.3 Mg元素对Al-Si合金性能的影响
• 1.3 变形铝合金
• 1.3.1 变形铝合金的分类
• 1.3.2 6063铝合金概述
• 1.3.3 含镁高硅铝合金概述
• 1.4 铝合金的搅拌摩擦焊概述
• 1.4.1 搅拌摩擦焊发展概述
• 1.4.2 搅拌摩擦焊的原理与工艺特点
• 1.4.3 搅拌摩擦处理概述
• 1.4.4 铝合金搅拌摩擦焊研究现状
• 1.5 搅拌摩擦焊接缺陷研究现状
• 1.6 本课题的研究内容和意义
• 第2章 实验材料、设备及方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验设备
• 2.3 实验方法
• 2.3.1 搅拌头
• 2.3.2 焊接温度场的检测
• 2.3.3 力学信号采集
• 2.3.4 焊接参数
• 2.4 焊接接头质量检测实验方法
• 2.4.1 X射线检测
• 2.4.2 焊接接头的组织观察
• 2.4.3 接头室温力学性能实验
• 2.4.4 扫描电镜观察拉伸断口形貌
• 第3章 FSP的缺陷及形成机理
• 3.1 焊接工艺对FSP焊缝成形的影响
• 3.2 FSP接头的缺陷及其形成机理
• 3.2.1 飞边
• 3.2.2 孔洞
• 3.3 FSP的显微组织及Si颗粒分析
• 3.3.1 Al-12.7Si-0.7Mg合金挤压型材的组织
• 3.3.2 焊接接头的显微组织
• 3.3.3 焊接接头的Si颗粒分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 热输入与FSP焊接缺陷的关系
• 4.1 FSP的焊缝中心温度
• 4.1.1 转速为600rpm的焊缝中心温度曲线
• 4.1.2 焊接速度为800mm/min的焊缝中心温度曲线
• 4.1.3 焊接速度为200mm/min的焊缝中心温度曲线
• 4.2 FSP的热输入分析
• 4.3 热输入与焊接缺陷的关系
• 4.4 本章小结
• 第5章 FSW接头的组织和力学性能
• 5.1 焊接工艺对焊缝成形的影响
• 5.1.1 焊接工艺对焊缝外观形貌的影响
• 5.1.2 X射线检测结果及分析
• 5.1.3 FSW的热输入分析
• 5.1.4 优化工艺参数的FSW接头宏观形貌对比
• 5.2 焊接接头显微组织
• 5.2.1 接头各区域显微组织
• 5.2.2 搅拌区与热机影响区分界线上的显微组织
• 5.2.3 接头Z线附近的显微组织
• 5.3 焊接接头的力学性能
• 5.3.1 焊接接头的显微硬度
• 5.3.2 Al-12.7Si-0.7Mg合金挤压型材的拉伸性能
• 5.3.3 焊接接头的拉伸性能
• 5.4 本章小结
• 第6章 FSP/FSW用Z轴下压力数据采集工作台设计
• 6.1 前言
• 6.2 实验材料
• 6.3 实验设备
• 6.4 力学信号检测系统
• 6.4.1 压力传感器的选择
• 6.4.2 信号采集与输出设备
• 6.4.3 其它辅助设备
• 6.5 实验方法
• 6.5.1 工作台的设计
• 6.5.2 实验用搅拌头
• 6.5.3 实验方案
• 6.5.4 焊接参数
• 6.6 实验结果
• 6.6.1 焊缝成形与Z轴下压力曲线
• 6.7 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢