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铝/钢超声强化搅拌摩擦搭接焊试验研究

铝/钢超声强化搅拌摩擦搭接焊试验研究

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作者：刘涛齐鲁工业大学

学位级别：硕士

铝/钢复合结构的应用既能满足轻量化的需求,又能兼顾性能和成本方面的优势,在汽车轻量化发展进程中发挥着不可替代的作用。由于铝合金与钢的热物理性能、化学性能和机械性能存在巨大差异,这导致铝/钢异种金属的高质量连接面临着严峻挑... 详细信息

铝/钢复合结构的应用既能满足轻量化的需求,又能兼顾性能和成本方面的优势,在汽车轻量化发展进程中发挥着不可替代的作用。由于铝合金与钢的热物理性能、化学性能和机械性能存在巨大差异,这导致铝/钢异种金属的高质量连接面临着严峻挑战。搅拌摩擦焊(FSW)技术已成功应用于异种合金的连接,但铝/钢异种金属FSW仍存在界面结合能力差、焊接效率低和搅拌头使用寿命短等问题。为解决上述问题,采用将超声振动直接施加在待焊工件表面的FSW改型新工艺对铝/钢异种金属进行焊接,通过工艺试验的方法阐明了超声振动对接头质量和焊接过程的影响机制。首先,开展了6061-T6铝合金/Q235钢的常规搅拌摩擦搭接焊(FSLW)和超声振动强化搅拌摩擦搭接焊(UVe FSLW)工艺试验,对比和分析了超声能量对焊缝成形、接头宏观形貌以及力学性能的影响。结果表明,超声振动能够有效软化待焊工件,提高焊缝表面成形质量,消除因材料流动性较差形成的隧道型缺陷,扩大焊核区的体积,拓宽焊接工艺窗口。超声改善了搭接接头的失效载荷,改变了接头的失效形式和断裂模式,使铝合金侧和钢侧的显微硬度得到提升。随后,对接头不同区域的微观组织进行表征,研究了超声对接头质量的优化机理。发现附加超声可以改变界面附近钢组织的分布特征,细化焊核区和热力影响区的晶粒组织,使焊核区析出相弥散分布,减小界面后退侧金属间化合物的生成,促进界面前进侧材料的混合。UVe FSLW接头失效载荷的提升是有效结合宽度的增加、宏/微观机械互锁能力的提升和金属间化合物层的减薄共同优化的结果。在此基础上,对接头耐蚀性进行研究,发现超声振动改善了接头的耐腐蚀性能。此外,进一步探索了超声能量对铝/钢异种金属FSLW焊接过程(焊接载荷、热循环和材料流动)的影响。试验发现,超声可显著降低焊接载荷,其中焊接轴向力的降低幅度最大。超声振动的加入体现了其预热作用,并且降低了焊接过程中的峰值温度。采用“急停+急冷”技术获得了焊缝的瞬时状态,利用工业CT对匙孔附近的材料流动进行了表征,发现超声增大了搅拌针附近钢颗粒的流动范围,同时也改变了钢组织的流动路径。

关键词：搅拌摩擦焊超声振动铝/钢异质构件接头质量焊接过程

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