大学毕业论文—焊接方面的论文.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流大学毕业论文焊接方面的论文.精品文档.学校代码: 10128学 号: 2010*专科毕业论文题 目:超声冲击对7A52铝合金焊接接头疲劳性能的影响学生姓名:*学 院:*系 别:*专 业:焊接技术自动化班 级:*指导教师:* 教授二 一 三 年 六 月摘 要在航空航天、兵器及船舶等许多工业领域中,零部件受交变载荷的作用,在服役期内,其构件常常发生疲劳破坏,而结构发生疲劳破坏的主要部位往往是焊接接头。本文研究了超声冲击技术对7A52铝合金焊接接头疲劳性能的影响。综述了7A52铝合金的性能和焊接方法、超声冲击的原理及装置组成,介绍了7A52铝合金的
2、焊接方法及过程、超声冲击的方法及过程。最终就超声冲击技术对焊接接头的疲劳性能作出了进一步的研究与分析。分析结果表明超声冲击方法对焊接接头疲劳强度的改善效果十分明显, 表层组织更加均匀,晶粒明显细化。能够极大的提高材料的疲劳寿命,极具实用价值。同时发现, 在焊趾表层处形成局部残余压缩应力,使焊接接头的疲劳寿命得以延长,疲劳强度得以增强。关键词:7A52铝合金;焊接接头;超声冲击技术;疲劳性能目 录第一章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 Al-Zn-Mg系铝合金的概述11.2.1 7A52铝合金的发展21.2.2 7A52铝合金焊接研究现状21.3 超声冲击技术的发展及研究现状31.4 超声
3、冲击对焊接接头疲劳性能的影响41.5 本文研究内容5第二章 试验材料及过程62.1 试样材料62.2 试验装置62.2.1 焊接试验装置62.2.2 超声冲击装置72.3疲劳试验装置82.3 试验工艺82.3.1 焊前准备82.3.2 焊接方法及参数92.3.3 焊后处理102.4 超声冲击技术工艺及参数102.5 金相试样的制备112.6 疲劳性能测试12第三章 试验结果及分析143.1 超声冲击前、后焊缝宏观变化结果143.2 冲击前、后焊缝显微组织观察与对比分析143.3冲击前、后焊接接头疲劳性能的分析15第四章 结 论18参考文献19谢 辞21第一章 绪论1.1 研究背景及意义7A52
4、铝合金属于Al-Zn-Mg系高强可焊铝合金,在其连接技术中应用最多的是熔焊技术,其中以TIG焊(钨极惰性气体保护电弧焊)和MIG焊(熔化极惰性气体保护电弧焊)应用最广。由于其具有优良的综合性能,已经被广泛应用与航空航天、兵器领域中,作为坦克的装甲、炮架和各种装备中。我国在20世纪80年代初到现在,对7A52铝合金板材上已经应用成熟,然而在焊接接头上,出现诸多问题。是由于铝合金吸氢能力很强,因此在焊接完成后接头处容易出现气孔,并且由于线膨胀系数大,在接头处容易产生残余的拉应力,而且焊接接头变形和裂纹的倾向较大,从而会降低7A52铝合金焊接接头疲劳性能。为了进一步提高7A52铝合金双丝MIG焊后的
5、综合性能,完善其不足之处,从而采用超声冲击技术对其表面进行处理,改善接头的表面组织,加强表层性能,提高整体性能。当采用超声冲击技术可以使其表层产生一层塑性变形层,使焊接接头的表层发生微观变形和残余应力分布情况发生改变,从而提高材料综合的力学性能和服役的行为。最近几年,盛永华1在研究中发现,超声冲击处理后,金属焊接接头的表面组织得到大大细化,在采用合适的工艺参数下,能获得具有一定厚度的结构表层。相比于焊态的焊接接头,经过超声冲击处理后的焊接接头,其表面显微硬度高于心部,疲劳寿命也有所延长。尽管如此,对7A52铝合金双丝MIG焊接接头进行超声冲击处理却极为罕见,对7A52铝合金焊接接头的疲劳性能研
6、究也更为少见。因此本文就超声冲击处理7A52铝合金双丝MIG焊接接头进行研究,从焊接接头的表层晶粒大、变形层深度及表面硬度方面进行优化,掌握不同的参数、组织、性能之间的关系,为超声冲击技术的实际应用奠定理论基础,并且具有一定的实用价值和理论意义。1.2 Al-Zn-Mg系铝合金的概述Al-Zn-Mg系列(又简称7000系)铝合金的发展可追溯到20世纪20年代,1923年-1924年,德国科学家B.赞杰尔和K.明斯涅尔发现了Al-Zn-Mg合金经淬火和时效后具有高的强度,并认为这是合金中形成了MgZn2的相的结果。后来又发现其抗应力腐蚀性能太差,一直没有得到实际应用。长期以来人们对Al-Zn-M
7、g铝合金失去了兴趣。从30年代到第二次世界大战期间,各国在研究中发现Cu能显著提高抗应力腐蚀性能(SCC)和改善合金力学性能,因此竞相发展Al-Zn-Mg-Cu系合金。直到现在仍在广泛应用于航空事业。九十年代伊拉克战争中美英联军采用的渡河桥梁装备采用的主要是中强可焊铝锌镁合金系列2。目前为提高焊接用Al-Zn-Mg系列铝合金的焊接性能和强度,主要开展提高锌、镁的含量和开发新的热处理工艺及合金的抗应力腐蚀性能。1.2.1 7A52铝合金的发展7A52铝合金是高强铝合金,具有优异的使用性能和工艺性能。20世纪80年代初,东北轻合金加工厂开始研制开发了7A52铝合金,该合金属于Al-Zn-Mg系装甲
8、铝合金,抗弹性与美7039、苏1911相当,且具有良好的焊接工艺性能,应用广泛3。目前利用双丝MIG焊焊接该铝合金在技术上已较为成熟,并且在实际中也得到了较为广泛的应用然而由于焊接技术本身加热非常快、冷却也比较迅速,并且熔焊焊接过程中还需要填充焊接材料,这就导致了焊缝及熔合区组织及性能的不均匀性,组织和性能的不均匀导致焊缝的整体性能下降,也是焊接接头在服役中失效的主要原因之一4。1.2.2 7A52铝合金焊接研究现状7A52铝合金且具有优良的焊接性能。7A52铝合的板材一般采用搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding ,FSW)、电子束焊(Electron Beam Weldin
9、g, EBW) 双丝气体保护焊(Metal-Inert Gas Welding, MIG )等。赵军军、马琳5等人采用搅拌摩擦焊工艺对8mm厚的7A52铝合金板材搅拌摩擦焊接后,分别测定了不同焊接规范下接头的抗拉强度。讨论了搅拌头旋转速度和焊接速度对抗拉强度的影响,并根据试验结果优化出了最佳的焊接工艺。在一定的参数下,焊接接头具有了较高的力学性能,其抗拉强度也明显提高,从而提高了焊接接头的强度。翟熙伟,陈芙蓉6,等人曾对20mm厚7A52铝合金板材采用试件法进行电子束焊接。通过对7A52铝合金电子束焊接接头进行了显微组织观察和性能分析。研究表明,经过电子束焊接后,焊接接头形成了良好的焊缝表面。
10、其焊缝区晶粒细小均匀,抗拉强度也明显提高。进一步也表明了电子束焊接接头的性能很高。张传臣,陈芙蓉7,对单双丝焊焊接接头的变形、显微组织、焊缝硬度和拉伸性能进行了试验分析。得出双丝焊焊接接头变形小。双丝焊焊缝与单丝焊焊缝相比,组织更为细小致密,热影响区较窄,焊缝区硬度高于单丝焊焊缝;焊缝抗拉强度比单丝焊焊缝略显提高,可知用双丝气体保护焊比单丝气体保护焊效果更好。1.3 超声冲击技术的发展及研究现状超声冲击(UIT/UP)技术由世界闻名的乌克兰Paton焊接研究所在1972年最早提出,并由Paton焊接研究所和俄罗斯“量子”研究院共同开发成功,最早用于前苏联海军船只的降低焊接残余应力,引入有益的压
11、应力。1974年,Polozky8等人公开发表了将超声冲击技术应用于消除焊缝残余应力的文章。超声冲击设备目前主要用于焊接应力的消除,消除零件表面或焊缝区域的有害拉应力,引进有益处的压应力。就消除残余应力的效果而言,一般的振动时效在30-55%之间,热时效可以达到40-80%,超声冲击时效则达到80%左右。目前已经在在很多领域应用成功,超声冲击技术已经在很多领域,应用成功并取得了不错的成就。在高能超声领域9,超声冲击技术成为了一个很有前途的研究方向,并且应用范围已延伸到各种材料、构件及焊接单元。到目前为止,超声冲击技术在俄罗斯、乌克兰、法国、日本、挪威、瑞典、加拿大及美国等国的铁路、海洋工程、汽
12、车、装甲车辆、重型工程机械、机械零部件、飞机、桥梁、机车车辆、石油管线、化工机械设备等诸多领域均有所应用。总之,超声冲击技术是一种冲击式压力加工方法,是直接利用超声振动式材料表面产生塑形变形,消除材料的残余应力,达到实际使用效果10。它也具有操作简单方便、省时、省力、高效率、低成本等特点。对于我国,超声冲击技术的研究是由天津大学王东坡教授等人发起。超声冲击技术从1997年到现在的十几年时间里,已经得到很大的发展。从最初的我国第一台超声冲击电源的研制,到现在该技术已经应用到工业当中的各个领域。目前,国内已经有研究人员11开始将超声冲击技术应用到了焊接接头上,并且得到了良好的效果。比如焊接接头表层
13、组织更加均匀,晶粒明显细化,表层硬度得到提高等等。超声冲击技术还可以增加焊趾处过度弧半径,降低了焊接接头的应力集中系数,并且会在焊趾表层处形成局部残余压缩应力,使焊接接头的疲劳寿命得以延长,疲劳强度得以增强。例如王东坡,田瑞莹12等人在超声冲击处理焊接接头疲劳设计若干问题的探讨中,大量超声冲击处理焊接接头的试验结果进行分析总结,探讨超声冲击焊接接头疲劳设计与原始焊接接头的差异。他们在研究中得出,材料强度对超声冲击方法改善焊接接头疲劳性能的处理效果有一定影响,随着接头材料强度的提高改善效果也越好13。经过超声冲击处理后,焊接接头疲劳强度不再与所外加的平均应力有关,而是随着应力比R的增加,接头所能
14、够承受的疲劳应力幅度有所降低。当采用最大应力对超声冲击处理焊接接头进行疲劳设计时,外载荷中所含平均应力缓慢增加超声冲击处理焊接接头在FAT下的疲劳强度(应力范围)也迅速的降低 。盛永华1在对超声冲击对金属焊接接头组织及性能影响的研究中,用超声冲击法处理金属焊接接头后,可获得具有一定厚度的塑性变形层,晶粒明显得到细化,某些晶粒尺寸甚至可达纳米量级。超声冲击还能提高金属焊接接头的显微硬度、抗拉强度和疲劳强度等性能,此外超声冲击可引入对提高疲劳强度有利的残余压应力及改善焊趾处的应力等。超声冲击法在金属焊接接头的焊后强化处理及相关领域方面的应用愈来愈广泛,具有很大的发展潜力。1.4 超声冲击对焊接接头
15、疲劳性能的影响焊接残余应力是焊接结构所特有的特征,它对于焊接结构疲劳强度的影响是人们广为关心的问题,为此人们进行了大量的试验研究工作。试验往往采用有焊接残余应力的试样与经过热处理消除残余应力后的试样,进行疲劳试验作对比。由于焊接残余应力的产生往往伴随着焊接热循环引起的材料性能变化,而热处理在消除残余应力的同时也恢复或部分地恢复了材料的性能,同时也由于试验结果的分散性14,因此对试验结果产生了不同的解释,对焊接残余应力的影响也就有了不同的评价。大量研究和实践表明15,焊接接头的疲劳破坏一般起裂于焊接接头的焊趾部位。 如果能改善焊趾处疲劳裂纹的起裂性能,将有效地提高焊接结的疲劳强度。为了使焊接结构
16、很好地满足工程上对其提出的承受动载的要求,能够采取的措施主要有两点。一方面,增加对焊接结构抗疲劳特性的了解,精心设计构件的结构形式及接头形式,并严格控制焊接质量,防止和减少焊接缺陷的产生,使所设计的焊接结构更合理,从而具有更高的疲劳强度。另一方面,直接面对焊接接头疲劳性能较差的弱点,在焊接结构制造过程中或完成后及使用过程中采取有效的工艺措施,提高接头的疲劳强度,增加其承受动载的能力、延长其使用寿命,其积极意义是显而易见的。但是王安16在影响焊接结构疲劳强度的主要因素研究中发现焊接接头疲劳性能的一个显著特点是:接头的疲劳强度与母材的静强度关系不大。对于高强钢来说,起焊接接头的疲劳强度并不是比低碳
17、钢高。使设计焊接结构时,试图通过选用较高强度的钢种来满足承受更高动载的工程需要失去了可能性。在一定程度上也限制了焊接接头承受交变动载的能力,而使焊接结构承受交变载荷的能力与母材相比较差的问题更为严重。研究表明,用超声波冲击处理焊趾区的方法来提高焊接接头及结构疲劳强度是一种理想的改善焊接接头疲劳性能措施,这已被相关试验所证实17,18,19。近年来发展起来的超声冲击提高焊接接头及结构疲劳强度的方法,其机理与锤击和喷丸基本一致,但这种方法机构轻巧,可控性好,适用灵活方便、噪音小、效率高、是一种较理想的焊后改善焊接接头疲劳性能的方法。1.5 本文研究内容及方案本文主要研究超声冲击技术对7A52超硬铝
18、合金经双丝MIG焊焊后接头焊趾部分焊缝性能的影响,主要探究超声冲击前后焊趾表面金相组织的变化,超声冲击前后疲劳性能变化。进而分析超声冲击对这种新超硬铝合金焊接接头的影响。研究方案过程如下:1. 将7A52铝合金焊接接头分成两部分,一部分进行超声冲击处理,另一部分不 作超声冲击处理。2. 将两组焊接接头在不同参数下分别作疲劳试验,并记录实验数据。3. 将疲劳试验后的焊接接头经线切割,砂纸打磨,粗抛光,精抛光,腐蚀,酒精清洗制成金相观察试样。4. 将上述各试样在显微镜下观察,找出焊缝和融合区,并拍照。5. 处理实验数据。包括拟合S-N曲线,分析两组金相照片,对比组织变化以及疲劳性能改善的程度。第二
19、章 试验材料及过程2.1 试样材料母材:选用7A52超硬铝合金,规格为300mm50mm20mm,其化学成分,如表2-1所示。焊丝:选用5356,其化学成分,如表2-1所示,焊丝规格为1.6mm。保护气体:氩气(纯度为99.99%)7A52铝合金的力学性能,如表2-2所示。表2-1 7A52铝合金及5356焊丝的主要化学成分表(质量分数,%)牌 号ZnMgCuMnCrTiZrFeSiAl7A524.04.82.02.80.050.200.200.500.150.250.050.180.050.150.300.25余量53560.104.55.50.10.200.500.050.200.060.
20、200.100.150.400.25余量表2-2 7A52铝合金的力学性能抗拉强度Rm/MPa屈服强度Rp0.2/ MPa断后伸缩率A(%)41034572.2 试验装置2.2.1 焊接试验装置图2-1 TPS5000多功能数字化双丝焊机双丝焊接设备采用奥地利Fronius公司TPS5000多功能数字化双丝焊机。焊接设备如图2-1所示。7A52铝合金的焊接采用双丝MIG焊的方法来焊接,图2-2为双丝焊接系统组成示意图。图2.2 双丝焊系统组成示意图2.2.2 超声冲击装置将双丝MIG焊后接头进行探伤,选择气孔缺陷较少的焊接件,对其焊趾部位进行超声冲击。试验采用天津天东恒科技发展有限公司生产的T
21、DH型超声冲击机对焊趾进行冲击处理。超声冲击设备实物图如图2.3所示。超声冲击冲击头如图2.4所示。图2-3 超声冲击设备实物图图2-4 超声冲击头2.3疲劳试验装置试验采用100KN级GPS300型高频疲劳试验机,如图2-5所示。图2-5 GPS300型高频疲劳试验机实物图2.3 试验工艺2.3.1 焊前准备焊前准备的主要工作是焊接坡口准备、焊件及焊丝表面处理、焊件组装、焊接设备检查等。当焊件或焊丝表面存在油污等杂质时,焊接过程中就可能将杂质带入焊接熔池。从而形成焊接缺陷。焊件或焊丝表面存在油污等杂质时,焊接过程就可能将杂质带入熔池,从而形成焊接缺陷。焊件或焊丝表面存在较厚的氧化层时将影响焊
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