搅拌摩擦焊网

摘要：采用不同焊接速度对6005A-T5铝合金进行搅拌摩擦焊,对其焊接接头的组织和力学性能进行研究。建立了不同焊接接头区域析出相的演变和力学性能之间的关系。在焊接的过程中,焊核区由于受到了足够的热输入,β″相完全回溶到铝基体。在后续的自然时效过程中逐渐形成GP区,这也是焊核区硬度上升的主要原因。热影响区发生不完全再结晶,晶粒呈现拉长状,同时有大量的位错形成。热影响区主要包含Q’相和β″相。当焊接速度下降时,焊接接头的强度随着β″相的回溶和Q’相的形成逐渐降低。焊接接头纵向残余应力的平均值要大于横向残余应力。当焊接速度增加,纵向残余应力的峰值随之增加,但对横向残余应力的影响可以忽略。
基金：National Key R&D Program of China（2016YFB0300905,2016YFB0300902）；
关键词：铝合金; 搅拌摩擦焊; 组织; 力学性能; 残余应力;
分类号：TG457.14

    7XXX系铝合金是以锌为主要合金元素的铝合金，主要由Al-Zn-Mg和Al-Zn-Mg-Cu系合金组成，有些合金还有少量的Mn、Cr、Zr、V、Ag、Ti等，属于热处理可强化铝合金。常用7xxx系近80个，主要是Al-Zn-Mg-Cu系合金，占总数的74.3%。因其具有高的比强度和硬度、较好的耐腐蚀性能和较高的初性等优点,已成为最重要的结构材料之该系合金中，常用的牌号有7A03、7A04、7A09及7005、7075、7475、7050、7055等合金。可加工成板、棒、线、管材及锻件等半成品,主要用于结构材料。

摘要：7N01铝合金由于具有强度高、焊接性好等优点而成为满足轻量化要求的结构材料。搅拌摩擦焊接是7N01铝合金常用的绿色高效焊接技术,但是7N01铝合金具有一定的应力腐蚀敏感性,且焊后接头力学性能有较大的下降。适当的焊后热处理工艺可提升7N01铝合金搅拌摩擦焊接接头力学性能和耐蚀性,因此研究7N01-T4铝合金焊后热处理工艺的优化具有重要的理论意义和工程应用价值。本文对15mm厚7N01-T4铝合金进行了搅拌摩擦焊接,并对焊接接头进行了热处理,首先通过比较不同焊后热处理工艺参数下接头的金相组织、显微硬度、电化学性能,获取了合适的固溶工艺和时效工艺。其次,研究了焊后热处理工艺对接头组织和力学性能的影响。电子背散射衍射分析(EBSD)测试的结果表明,适当的焊后热处理工艺可以改变焊接接头晶粒取向,使得接头内部织构取向和织构体积占比发生改变。对于焊核区,热处理后的晶粒变大,由于热处理过程中接头受热位错能量释放,位错密度降低,等轴晶粒发生进一步长大。回归时效焊核区的晶粒度>双级时效>单级时效,回归时效的位错密度<双级时效<单级时效,造成此现象的原因与热处理工艺有关,热处理温度越高、保温时间越长,位错密度越低,晶粒尺寸越大。通过分析不同焊后热处理工艺接头不同微区的显微硬度,发现不同焊后热处理工艺的焊接接头沿板厚方向中部都有硬度较低的现象。单级时效的抗拉强度达到312mpa,延伸率从15%降到10.6%。双级时效接头由于η’相的析出导致抗拉强度的提高,达到332mpa,相对于未处理试样提升4.7%。回归再时效接头同样由于η’相和η相的大量析出导致抗拉强度提高,达到341mpa,相对于未处理试样提升7.6%。自然时效接头的抗拉强度为363mpa,相对于焊后未处理试样提升14.5%,自然时效过程抗拉强度的提升主要是由于gp区的大量析出造成的。最后对比了不同焊后热处理工艺对焊接接头的各种耐蚀性影响的差异。化学浸泡试验的结果表明接头耐点蚀性能的优劣排序为:回归时效>双级时效>单级时效>未处理。电化学试验的结果表明接头耐蚀性优劣排序为:回归时效>双级时效>单级时效>未处理,各种工艺耐蚀性的差异主要是由于析出相的大小、分布和形貌导致的。同时可以看出所有工艺都是接头热影响区耐蚀性比焊核区差。对未处理、双级时效、回归时效接头进行晶间腐蚀试验,试验结果表明接头存在并不显著的晶界腐蚀现象。接头的抗应力腐蚀性能排序为:回归时效>双级时效>单级时效>未处理。对于双级时效、单级时效、未处理接头在盐水中慢拉伸断口都有明显的沿晶断裂现象,其应力腐蚀开裂机理符合阳极溶解理论;而回归再时效接头断口不存在沿晶断裂现象,为准解理断裂。

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本文基于计算流体力学理论，建立搅拌摩擦焊过程有限元模型，模拟得到了焊接过程中不同工艺参数下的速度矢量图和材料流线分布图，结果表明，当搅拌头的旋转速度增加时，搅拌头附近区域材料流动更加剧烈，焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。在焊接过程中，增加焊接速度可以增强焊件底部的流动性，但是不能提高焊件表面的流动性。增加搅拌头转速可以明显提高焊件表面的流动性，但是对焊件底部的流动性没有影响。

计算流体力学在搅拌摩擦焊的应用研究 Application of Computational Fluid Dynamics in Friction Stir Welding