高强铝合金超声搅拌复合焊工艺与机理研究

论文摘要

现有的搅拌摩擦焊所需要的热量主要来源于焊件上表面与搅拌头台肩之间的摩擦生热,这一生热机制造成焊接区上部温度过高,而深处温度偏低,致使焊缝厚度方向的组织性能差异很大,其深处组织疏松,焊接厚度和强度受到局限。本文首先综述国内外搅拌摩擦焊工艺与机理以及超声波对金属塑性成形作用机理研究现状,在本课题组前期研究基础上,对超声搅拌复合焊试验装置进行改进设计,优化焊接工艺,通过对超声搅拌焊接机理的深入研究,以进一步验证这一新焊接方法的积极效果。论文主要研究内容包括三部分:超声对塑性流体作用机理分析、超声搅拌复合焊系统的改进设计以及超声搅拌复合焊和搅拌摩擦焊的对比实验。通过大量的研究结果表明:所设计的搅拌复合焊系统能克服高速旋转和焊接载荷带来的障碍,成功将超声能聚集于搅拌针下端,实现了超声搅拌复合焊接;与搅拌摩擦焊相比,超声搅拌复合焊焊缝组织与力学性能显著改善,试验所焊接2219、2519、7A52和LF21等铝合金,其焊接强度分别提高16.79%、3.31%、20.87%和10.13%。上述研究结果表明,超声波对焊接过程作用机制是,通过提高金属活性,降低金属流变阻力与焊接温度,从而改善焊缝性能,其作用效应主要表现为晶粒细化、组织的均匀化和热影响区减少。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 搅拌摩擦焊原理
• 1.2 国内外搅拌摩擦焊研究现状及进展
• 1.3 搅拌摩擦焊的应用范围及前景
• 1.4 搅拌摩擦焊的显著特点
• 1.5 现阶段改善搅拌摩擦焊材料流动的途径
• 1.5.1 搅拌头几何形状对材料流动的影响
• 1.5.2 温度对材料流动的影响
• 1.5.3 工艺参数对材料流动的影响
• 1.6 超声振动在金属塑性加工中应用
• 1.6.1 超声振动拉伸
• 1.6.2 超声振动切削
• 1.6.3 超声振动轧制
• 1.6.4 超声波拉丝
• 1.7 超声振动对金属塑性加工的有关机理
• 1.8 研究内容及意义
• 1.9 本章小结
• 第二章 超声搅拌复合焊系统设计
• 2.1 超声搅拌复合焊系统原理
• 2.2 超声搅拌焊装置总体结构设计
• 2.3 超声搅拌复合焊系统主要部件简介
• 2.3.1 超声波电源
• 2.3.2 超声波换能器
• 2.3.3 超声变幅杆
• 2.3.4 加工工具
• 2.4 换能器的设计计算
• 2.5 超声变幅杆的设计计算
• 2.6 本章小结
• 第三章 超声搅拌复合焊实验
• 3.1 换能系统性能参数的实验测量
• 3.2 焊接实验目的及方案
• 3.3 实验材料
• 3.4 实验设备
• 3.5 实验的方法及过程
• 3.6 实验结果
• 3.7 力学实验结果
• 3.7.1 2219试样力学实验结果
• 3.7.2 2519试样力学实验结果
• 3.7.3 7A52试样力学实验结果
• 3.7.4 LF21试样力学实验结果
• 3.8 结果与讨论
• 3.9 本章小结
• 第四章 超声振动对焊接过程的作用机理研究
• 4.1 超声振动作用机理研究
• 4.1.1 位移振幅和加速度的计算
• 4.1.2 声压和声强的计算
• 4.1.3 机械作用效应和体积效应
• 4.2 超声振动对焊接组织的作用机理
• 4.2.1 焊缝的金相组织整体对比
• 4.2.2 焊核区组织
• 4.2.3 热机影响区和热影响区组织
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 全文总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间主要的研究成果