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超薄1060铝板无轴肩微搅拌摩擦焊工艺及性能研究

超薄1060铝板无轴肩微搅拌摩擦焊工艺及性能研究

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作者：王维杰兰州理工大学

学位级别：硕士

随着时代的进步和科学技术的发展,各行各业对材料环保及精密化要求越来越高。铝具有比强度高、导电导热性好、耐腐蚀性优良等特点,在核电、航空航天、运输、微电子等领域具有广泛的应用前景。当采用熔化焊方法来实现超薄1060铝板的对接... 详细信息

随着时代的进步和科学技术的发展,各行各业对材料环保及精密化要求越来越高。铝具有比强度高、导电导热性好、耐腐蚀性优良等特点,在核电、航空航天、运输、微电子等领域具有广泛的应用前景。当采用熔化焊方法来实现超薄1060铝板的对接时,接头会出现外观成型和性能较差等问题。微搅拌摩擦焊(μFSW)作为一种高质量、高效率和环保的固相连接方法,在超薄板连接方面具有显著优势。但采用常规轴肩搅拌头时存在接头热影响区大、变形严重等问题。而无轴肩μFSW由于只受到搅拌针的作用,热量输入小,参与塑性成型的金属少,容易形成无缺陷几乎无变形的接头。本文针对0.8mm厚超薄1060铝板进行高转速微搅拌摩擦焊,自主设计了适用于超薄板的常规轴肩和无轴肩两种搅拌头,对工艺参数的选择及优化进行了探索,阐述了工艺流程不同点,揭示了工艺参数对接头成型及性能的影响;通过外观成型的筛选及力学性能的测量确定最佳工艺参数后,系统的对比分析了采用两种不同类型搅拌头时,接头表面成型、宏微观组织及力学性能等的区别;通过测量μFSW过程中的温度、轴向力和横向力揭示了不同阶段的能量输入特征及力的变化规律,主要研究内容及结果如下:采用两种搅拌头μFSW时,工艺流程有着很大的区别,为了保证μFSW过程中的热量输入,在主轴转速高于6000r/min下进行。常规轴肩搅拌头需要确定倾角、下压量等参数,对工艺参数比较敏感;而无轴肩搅拌头则采用无倾角,搅拌针插入0.7mm即可,工艺参数窗口较为宽泛。研究表明,工艺参数与接头的表面成型及力学性能有很大关系,只有选择合适的工艺参数才能获得表面成型美观、力学性能优良的接头。通过拉伸试验评估接头的力学性能。拉伸结果显示,采用常规轴肩和无轴肩搅拌头,当主轴转速不变时,接头的抗拉强度随着焊接速度的增加先升高后降低;当焊接速度不变时,接头的抗拉强度随着主轴转速的增加先增大后减小。研究发现,主轴转速为11000r/min、焊接速度为140mm/min时,接头抗拉强度最高,常规轴肩接头抗拉强度达到母材的66.81%,而无轴肩接头抗拉强度达到母材的78.65%。研究了采用两种搅拌头工艺参数对接头断口形貌的影响,常规轴肩斜断口状一般发生在焊缝中心,这是由于减薄引起的,断裂类型为韧性断裂;无轴肩不规则锯齿状的断口多是出现在偏向于前进侧,是由于焊缝内部存在的一些内部缺陷造成的,断裂类型为混合断裂。当工艺参数不合适时,焊缝内部会存在孔洞、未焊合、组织疏松等缺陷。对比分析采用常规轴肩和无轴肩两种搅拌头,在主轴转速11000r/min、焊接速度140mm/min时,μFSW接头外观成型、断口形貌、微观组织及力学性能差别;并对μFSW过程中的温度、轴向力和横向力采集分析,分析了不同阶段的能量输入特征及力的变化规律。研究表明,采用常规轴肩搅拌头,焊缝受到轴肩强烈搅拌作用致使热影响区范围大、焊缝宽度变大、变形大、减薄严重、抗拉强度低、显微硬度呈“W”型分布;采用无轴肩搅拌头,焊缝只受到搅拌针的作用,热输入较小,但仍然可以满足超薄1060铝板金属达到塑性流动状态,接头热影响区变小、焊缝宽度变窄、变形小、焊核区硬度值最高。另外无轴肩采用无倾角式μFSW方法,大大降低了工艺复杂性,提高了焊接效率,工艺窗口较宽泛。本文揭示了超薄1060铝板无轴肩μFSW的优势,以期为无轴肩μFSW技术应用推广奠定理论基础和实用价值。

关键词：超薄1060铝板微搅拌摩擦焊无轴肩力学性能组织数据采集

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