铝合金搅拌摩擦焊搭接焊缝组织特征与疲劳断裂行为研究.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流铝合金搅拌摩擦焊搭接焊缝组织特征与疲劳断裂行为研究.精品文档.天津大学 硕士学位论文铝合金搅拌摩擦焊搭接焊缝组织特征与疲劳断裂行为研究 姓名：徐效东 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：杨新岐 2011-12 摘要 本文以、和 三种铝合金为研究对象，对搅拌摩擦焊（）搭接接头的组织特征及疲劳断裂行为进行了详细的研究。首先对搭接接头微观组织和硬度分布进行了试验研究，重点分析了搭接接头中存在的钩状缺陷，探讨了钩状缺陷对搭接接头疲劳性能的影响；其次针对这三种铝合金进行了一系列疲劳试验研究，将铝合金搭接接头与国际焊接学会（）推荐规范中的铝

2、合金熔焊接头进行了疲劳性能对比，同时分析了应力比、焊接规范 （单道、双道）和材料类别对铝合金搭接接头疲劳性能的影响；最后对疲劳断口进行扫描电镜分析，研究搭接接头疲劳断裂机理。 金相组织分析表明，铝合金搭接接头两板重合区域末端存在两个类似缺口的未连接区域，即钩状缺陷，这是与对接接头不同的一个显著特征。钩状缺陷是一种不利的界面偏移，造成界面线的不连续并且其尖端引起较大的应力集中。同时钩状界面线进入搭接接头上板将使接头明显降低，而对于铝合金而言，接头越大，疲劳强度越高。因此钩状缺陷引起搭接接头上板变薄会降低其疲劳性能。本试验中所有疲劳试件全部从接头上板承载侧钩状缺陷位置处起裂，随后向扩展直至最终断裂

3、。整体来看，双道焊与单道焊相比并没有有效改善钩状缺陷的偏移程度和接头的疲劳性能。 疲劳试验结果表明，铝合金搭接接头的疲劳强度明显低于规范中熔焊搭接接头的疲劳强度，与疲劳强度近似相当。铝合金搭接接头在时疲劳极限特征值最大可到，仅在时为，其余均比设计值高：铝合金搭接接头疲劳极限特征值在之间；而铝合金搭接接头为，疲劳性能整体较差。同时当应力比升高时，铝合金搭接接头疲劳寿命将会降低。在低应力区，材料类别对接头疲劳性能影响很小或者可以忽略；但在高应力区，抗拉强度较高的铝合金搭接接头比塑性较好的铝合金搭接接头则表现出了较好的疲劳眭能。 疲劳断口分析表明，疲劳试件均为多重起裂并且裂纹源均位于搭接接头上板底部

4、钩状缺陷处。裂纹扩展区表现为类脆性断裂特征且在部分铝合金搭接接头中发现了疲劳辉纹。双道焊接头与单道焊接头相比，裂纹源和裂纹扩展区二次裂纹数目较多，使得其疲劳性能较低。在最终瞬断区可以看到等轴韧窝并且伴随有明显的撕裂脊，具有典型的韧性断裂特征。哭灌词：铝合金；搅拌摩擦焊；搭接接头；疲劳性能；钩状缺陷 ， 。， （） 谢 ?悖澹螅铮? ， （） （）， ， ， ， ， 、析 ， ， ， ， ： ， ， ， ， 第一章绪论 第一章绪论选题背景及研究意义 面对我国能源日益缺乏、环境污染日益严重的现状，节能、环保已成为社会发展的主旋律。铝合金等轻质高性能材料的应用引起了人们的广泛关注。铝是一种可再生资源

5、，废弃的铝制品可回收重熔，既节能又可减少环境污染】。此外，铝及铝合金具有优越的性能：密度小，重量轻；易在表面生成一层致密的氧化膜，可阻止内部铝的继续氧化，因而耐蚀性好；在适当条件下，铝合金具有良好的强度、韧性等力学性能。此外，地壳中铝元素含量十分丰富，可满足长期使用的需求。因此铝及铝合金用途十分广泛，目前已被广泛应用于航空、航天、军事、机械制造、建筑等领域，。 铝合金材料广泛应用的现状对连接技术提出了更高的要求。由于铝合金材料的特殊性，当采用传统的熔化焊方法连接时往往会产生气孔、热裂纹、翘曲变形等多种焊接缺陷【】。这些焊接缺陷将会严重降低铝合金接头的力学性能，因此传统的焊接方法已经无法满足铝合

6、金材料的连接要求，研究发展新型焊接方法变得尤为迫切。 搅拌摩擦焊（ ，简称）是由英国焊接研究所（ ，简称）于年提出的一种新型固态塑性连接方法，其在铝合金焊接方面具有广阔的应用前景。与传统熔化焊相比，无烟尘、飞溅产生，无需添加焊丝和保护气体，是一种绿色焊接方法。焊缝区域不存在金属的熔化过程，不会产生熔焊接头中存在的各种焊接缺陷。此外，接头中不存在大范围的热塑性变化过程，其内应力及变形较小，基本可实现构件的低应力无变形焊接。接头具有较好的拉伸、弯曲和疲劳性能睁】。正是由于所具有的上述优点，自其问世以来，已受到世界上主要工业化国家的重视。 目前，国内在方面的研究主要集中在对接接头方面，其微观组织结构

7、，硬度分布和力学性能理论体系已经建立【， 。近年来，搭接接头越来越受到大家的关注，以用来替代飞机结构中的铆接接头。事实上，在实际生产应用中，常常会涉及搭接接头的焊接，如传统的飞机机身蒙皮、加筋板、机翼框架及地面甲板等结构件，汽车车体、油箱和轮箍辐条之间的连接，汽车车座的后支撑架的连接等都不可避免地会涉及诸多结构件的搭接问题【】始】。 搭接接头的疲劳行为是工程界普遍关注的热点问题，尤其是在航空、航 第一章绪论天等飞行器结构制造领域，搭接接头是关键的连接形式之一，这些结构件由于承受交变载荷，极易发生疲劳断裂，因此抗疲劳断裂特性是评定构件使用性能极为重要的指标之一。此外，由于疲劳行为的随机性和统计性

8、特征，对在不同条件下的疲劳数据的积累也是非常必要的。现阶段关于铝合金接头疲劳性能评定规范还没有确立，对铝合金搭接接头疲劳性能的研究更是少之又少。焊道数目（单道、双道）、钩状缺陷和应力比对疲劳性能的影响还未明确。本论文计划对铝合金搭接接头的疲劳试验进行详细探讨，分析各种因素的影响，研究结果将为技术在航空、航天构件制造工业中的推广应用提供重要理论和试验依据。搅拌摩擦焊工艺 依据待连接两块试板问的相对摆放位置，可分为对接焊和搭接焊两种，如图所示。 （）对接接头 （）搭接接头 图搅拌摩擦焊原理示意图 是利用一种非耗损的特殊形状的搅拌工具，旋转着插入被焊试件，然后沿着待焊界面向前移动，通过对材料的搅拌和

9、摩擦，使其加热至热塑性状态，在搅拌工具高速旋转的带动下，塑性材料环绕搅拌工具由前向后转移，同时结合搅拌工具对焊缝金属的挤压，在热机联合作用下，通过材料扩散形成的致密的金属问固相连接丌。此外，传统艺在焊接结束时由于搅拌工具端头旋出会在焊缝终端留下匙孔。由于的热量来源主要为搅拌工具与被焊材料之间的摩擦产热，在焊接过程中轴向压力很大，在焊缝起焊和收焊的位置往往是焊接缺陷产 第一章绪论生较严重的地方擂】。通常这个匙孔可以通过引出法切除掉，也可以用伸缩式搅拌工具焊接法【引、摩擦塞焊法【川以及熔焊填充法川等方法进行填补。搅拌摩擦搭接焊的发展现状 飞机结构中的铆接方式主要有两种：（）蒙皮与蒙皮之间的搭接；（

10、）蒙皮板与筋条之间的搭接（。在大型飞机机身制造过程中，“工”型、“”型和“”型加强筋条和蒙皮壁板之间的搭接结构非常普遍，通常采用铆钉连接，其连接过程复杂。而且铆钉孔易于裂纹优先形核并为动态损伤提供扩展路径，使飞机蒙皮和筋条铆接结构件发生整体破坏形式的失效，很容易引起飞机结构的连锁破坏反应，后果是非常严重的。如前所述，搅拌摩擦搭接焊具有优越的连接性能且连接机理简单，易于操作，在飞行结构中采用搭接接头在原理上能够改善构件力学性能、减轻重量及延长检查的周则】。 进行铝合金搭接焊连接时需要采取一些必要的预防措施：（）搭接接头的宽度必须比等强度对接接头厚度要长以便于实现正确的载荷转换；（）采用特殊搅拌工

11、具使得连接界面处残留氧化物量最少【】。施加在搭接接头两端的应力会在接头连接区域产生一个非轴向的应力【】，因此搭接接头与对接接头相比，受力比较复杂，既存在剪切力又存在弯曲力。 脑【】等认为由于在搭接接头中存在一个需要连接的水平界面，要想获得有效的搭接接头，必须要保证存在足够宽的焊核面积和符合要求的焊核完整性以获得足够的接头冶金和机械性能。搅拌摩擦焊搭接接头特征接头结构配置 鉴于搭接接头前进侧（）和后退侧（）的金属流动是不对称的，造成接头缺陷形式及力学性能的差异，因此针对不同的结构材料，应当采用不同的搭接接头形式。根据搭接接头上下板材与搅拌工具的位置不同，可以分为以下两种结构配置：左侧搅拌摩擦搭接

12、焊和右侧搅拌摩擦搭接焊【，如图所示。这样在搭接接头承载过程中就存在上板承载和上板承载两种承载模式，如图所示【】。 第一章绪论 姐娃 矗拳 （）左侧搅拌摩擦搭接焊（）右侧搅拌摩擦搭接焊 图搭接接头结构配置【】 码一蔓三毛三誓三兰里三置 隧 辱一三；专三翼三三兰圣翌 。 赢 图搭接接头两种不同的承载模式】 】等认为当上板后退侧承载时，接头具有更高的剪切强度。接头断裂位置大部分位于上板后退侧焊核区内部靠近边界处，其强度主要取决于后退侧接头承载厚度。同时在搭接接头后退侧发现了界面线向上弯曲形成的钩状几何形状，降低了搭接接头的强度。】等通过剪切拉伸试验发现，当上板前进侧为承载侧时，钩状尖端成为初始裂纹点

13、并且沿着钩状缺陷形状进行开裂：当上板后退侧为承载侧时，裂纹最初在变薄初始位置处形核，但是并不沿着变薄路径进行开裂，试样最终在断裂，可见后退侧变薄现象对裂纹增殖没有明显影响。此外， 】等人通过改变接头配置结构、搅拌工具外形和旋转速度对搭接接头强度和冶金性能进行了研究。其中上板前进侧承载比上板后退侧承载的结构配置更有效，此时材料塑性流动可使接头在抗剪试验中获得最大的承载面积；采用圆柱形搅拌针时，在两板之间界面处存在较大的接触面积，可以获得较大的焊核面积，但是这样在垂直方向上将缺少塑性流动。圆锥形搅拌针可以获得较强的材料垂直螺旋形塑性流动，但是，由于此类搅拌针在两板界面处面积较小， 第一章绪论因而接

14、头承载面积较小。研究发现采用圆柱圆锥搅拌针可以综合上述两种接头的有效因素并且获得性能最好的搭接接头。界面迁移现象 现有研究结果表明，在一些焊接条件下，搭接接头中存在着界面迁移现象，在接头承载条件下往往作为裂纹优先形核位置，影响接头性能，而且采用传统的无损检测（）技术检测不到该类缺陷的存在【。搭接接头中的这种迁移界面实质上是一种未熔合缺陷，该迁移界面的垂直迁移量取决于单位时间内搅拌针垂直方向上驱动的塑性金属量【。 ，等将这种在搭接接头中存在的迁移界面称为钩状缺陷，认为其为类似缺口的弱连接区域，该缺陷造成搭接接头有效承载面积的减少，进而影响接头强度，尤其是疲劳强度。】等通过弯曲、拉伸和疲劳试验均表

15、明了该类缺陷的不利性，证实这种缺陷是导致弯曲试样发生断裂，拉伸试样具有较低的极限抗拉强度和疲劳试样寿命高分散度的根本原因，此外钩状缺陷尺寸会随着焊接速度的升高或搅拌工具旋转速度的降低而减小，然而该缺陷并不能通过改变焊接速度和旋转速度而得到完全消除。 】等发现在和 铝合金的搭接接头中，两板分界面在前进、后退侧?哂型毕蛏锨苹蛲毕蛳虑屏街中翁焊核区迁移界面却向相反方向迁移。随着搅拌工具旋转速度的升高和焊接速度的降低，迁移界面的迁移量增加且界面形状更加尖锐，使得其尖端应力集中加剧，从而降低了接头的承载能力。 柯黎明】等通过研究发现：当使用表面有螺纹的搅拌针进行焊接时，迁移界面的迁移方向取决于搅拌针表面

16、的螺纹方向：左旋螺纹搅拌工具所得焊缝迁移界面均向上迁移，右旋螺纹搅拌工具所得焊缝迁移界面均向下迁移。研究人员采用 “抽取挤压”理论对该焊缝厚度方向上的金属迁移行为进行了解释，如图所示。搅拌针附近塑化金属受摩擦力痢法向压力的合力作用时，塑化金属随搅拌针做向下（左旋）或向上（右旋）的旋转螺旋运动，挤压周围金属并在搅拌针端部（左旋）或者根部（右旋）形成挤压区，随后塑性金属流向搅拌针另一端阻力较小瞬时抽吸区迁移，搭接界面的金属在摩擦力的作用下也随之向上（左旋）或向下（右旋）迁移。对于左旋螺纹搅拌针而言，焊接过程中受轴肩的旋转摩擦作用在焊缝上部产生的塑化金属，受到轴肩的顶锻作用，在后退侧做向下并向焊缝中

17、心的迁移运动，使后退侧的界面向焊缝中心迁移。而对于右旋螺纹搅拌针而言，由于搅拌针端部温度较低，界面迁移至搅拌针端部就基本停止，因此使下板有效板厚减小。 第一章绪论 搭接接头界面形态对接头应力分布存在明显的影响，其迁移界面的存在使得该迁移界面尖端的剪切应力集中，且该尖端越尖锐，即迁移界面切线与水平面夹角的最大值（伐角）越大，如图所示【，应力集中越严重。因此钩状缺陷越尖锐，最大应力集中值越大，同时钩状缺陷垂直迁移量越多，焊后搭接接头承载的有效板厚越小，将会降低接头性能。对于搭接接头，通过增大搅拌针直径的尺寸，便可得到一个具有宽大焊核区的接头，有利于提高接头的抗剪切能力，从而改善接头的力学性能。此外

18、，当两板接合面与搅拌针底部距离较近时可改善搭接接头界面形状。 （）左旋螺纹搅拌针 （）右旋螺纹搅拌针 图搭接接头焊缝界面迁移过程示意图【】 一， 谚一一 图搅拌摩擦焊搭接接头应力分布示意图】搅拌摩擦焊搭接接头性能影响因素的研究 研究发现，搭接接头的静载强度与电阻点焊和铆接接头相当，其剪切拉伸强度是单排铆接接头的倍】。，等在静载条件下采用二次重复焊接规范获得的最大接头效率可达，与对接接头相当并且比铆接接头高。研究人员提出影响搭接接头性能的两大参数：接头有效承载厚度和接头界面形状（钩状缺陷）。 第一章绪论工艺参数对搭接接头性能的影响 搭接接头强度很大程度上依赖于在焊接过程中材料如何流动形成焊核区以

19、及接头在性能测试时的载荷加载方式。】等通过研究发现，搅拌针长度需要比板厚稍微大些以形成完全接头。随着搅拌针长度的增加，接头强度增加，然而当搅拌针长度达到有效值后，再增加其长度反而会降低其强度。研究人员认为影响搭接接头抗拉强度的主要焊接参数是搅拌工具的旋转速度，较高的旋转速度往往对应较低的抗拉强度值，这主要是因为随着旋转速度的增加，接头软化现象加剧，同时界面线上升程度加剧，从而形成大角度的钩状缺陷，降低接头的有效承载面积。 】等寸镁合金搭接接头的组织和性能进行了研究，重点分析了过程参数对搭接接头强度的影响。搅拌工具均采用凹型（凹度为）轴肩，搅拌针分为三种：圆柱螺纹型（）、饼型（）和三角型（），如

20、图石所示。其是过渡接头，具有另外两者的特征，包括圆弧面上的螺纹凹槽和平面结构。和搅拌针的尺寸为其内切圆直径，并且将轴肩与搅拌针直径的比值定义为搅拌工具几何率，作为评定接头性能的参数。与相比，可以增强在水平方向上的塑性材料流动，降低甚至阻止由于搅拌工具旋转引起的向上流动金属量，可以更好的抑制后退侧钩状，降低其高度使接头的有效承载厚度增加。对：而言，升高旋转速度或者降低焊接速度将会增加接头后退侧钩状高度；而对于而言，升高焊接速度将会降低钩状高度，但是当焊接速度高于时，这种趋势变得不明显，同时指出钩状高度与旋转速度不存在明显的对应关系。 （）圆柱型带螺纹搅拌针 （）饼型搅拌针 静 （）三角型搅拌针

21、图搅拌工具示意图【】焊接规范对搭接接头性能的影响 等致力于研究过程参数优化和弯曲性能测试以确定采用实现纵梁和表皮搭接连接的可行性。试验中采用 纵梁和 第一章绪论表皮通过四种焊接规范实现搭接接头的连接，如图所示，并通过互换搭接接头结构配置中的前进后退侧位置来确定设计最优方案。研究发现，采用前进侧重叠的双道焊焊接规范可以减弱钩状缺陷，显著提高焊接质量，其连续焊接接头的疲劳性能优于铆接接头和单道焊接头。该方法中第二道焊缝相对于第一道焊缝位置横向平移，第二道焊缝的后退侧位于搭接接头的外侧，这样第一和第二道焊缝的前进侧均位于接头的中心位置，使得钩状缺陷发生重叠，第一道焊缝中产生的钩状缺陷在进行第二道焊缝焊接过程中被重新搅拌混合从而得到改善。搅拌工具逆时针旋转方向与顺时针方向相比可以更好的抑制上板变薄现象。此外，研究人员发现，在不连续焊缝中匙孔为裂纹关键形核位置，而且采用.