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题名	三种典型商用2xxx系铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究
作者	张振
学位类别	博士
答辩日期	2012
授予单位	中国科学院金属研究所
授予地点	北京
导师	马宗义 ; 肖伯律
关键词	搅拌摩擦焊 热处理工艺 铝合金 材料流变机理 组织 力学性能 Friction stir welding aluminum alloy heat treatment material flow behavior microstructure mechanical property
学位专业	材料加工工程
中文摘要	搅拌摩擦焊接 (FSW) 是一种新型的固相连接技术，特别适用于采用传统熔焊方法无法焊接的2xxx和7xxx系铝合金。本研究选择2024-T351 (Al-Cu-Mg)、2219-T6 (Al-Cu)和2014-T6 (Al-Cu-Mg-Mn-Si) 三种典型2xxx系时效强化铝合金，对时效强化铝合金FSW过程中的热点和一些难点问题进行了深入、细致的研究。主要目标是：揭示(a) FSW过程中材料流动特征；(b) FSW工艺参数、微观组织特征与力学性能之间的关系。主要开展了以下几方面的研究工作： 首先，分别以2024铝合金的表面包铝层和对接面上的人工氧化物做为标记材料，采用搅拌针“急停”和工具拔出技术，通过调节转速、焊接速度和下压量，研究FSW过程中的材料流动特征。研究表明，接头上、中、下三部分的材料流动特征不同。轴肩主要控制接头顶部的材料流动，形成轴肩区；搅拌针主要控制中部的材料流动，形成搅拌针区；搅拌针底部材料发生了垂直向上的涡旋运动，称之为涡旋区。焊接参数对这三个区域的形状影响显著。200 rpm的低转速下，三个区域区分不明显；随着转速提高到400 rpm时，搅拌针区开始出现不完整的“洋葱环”结构；继续将转速提高到800 rpm时，焊核区组织明显分化，搅拌针区出现完整的“洋葱环”结构。“洋葱环”结构位于搅拌针区氧化物（“S”线）的前进侧。随着焊接速度的提高，轴肩区缩小，搅拌针区扩大。 其次，对FSW 2024-T351铝合金接头，考察了焊接工艺参数和自然时效时间对接头组织特别是第二相偏析以及力学性能的影响。研究表明，接头的焊核区中存在很多由无数在晶界聚集的粗大第二相组成的线状偏析带，偏析带主要存在于轴肩区，与周期性的材料流动有关。它们在接头纵截面和水平面上的平均间距等于焊接工具每旋转一周的前进距离。接头的前进和后退侧各存在两个低硬度区：低硬度区I和II，其中，在低硬度区I晶粒发生粗化，GPB区溶解，形成S相并粗化；在焊后长时间（4-12周）自然时效过程中，低硬度区I的硬度保持稳定，低硬度区II的硬度缓慢恢复，随焊接参数和自然时效时间的不同，最低硬度区可能位于低硬度区I或II。拉伸过程中，接头沿最低硬度区或偏析带断裂，偏析带导致高焊接速度FSW接头沿焊核区/热机影响区界面断裂。拉伸强度随焊接速度的增加而升高，不随转速的增加而变化。接头的最高强度系数为94%。 再次，对2219-T6铝合金，研究了焊接参数(工具转速、焊接速度、下压量和水冷)和焊后人工时效对FSW接头组织与性能的影响。研究发现，空冷焊接时，可在较宽的转速(400-800 rpm)和焊接速度(100-800 mm/min)范围内，取得致密无缺陷的FSW接头，1200-1600 rpm的较高转速容易导致隧道和空洞缺陷；水冷焊接时，也能在100-800 mm/min的较大焊接速度范围内获得无缺陷的焊接接头；适当增加下压量可减少焊接缺陷的产生。在水冷和空冷接头的前进和后退侧各出现了以一个沉淀相溶解/粗化为特点的最低硬度区，拉伸过程中，铝合金接头可能沿焊核区/热机影响区界面、热机影响区或热影响区断裂，其拉伸强度随焊接速度从100增加到800 mm/min而升高，不随转速的增加而变化。空冷接头的最高强度系数为79%，水冷没有提升接头最低硬度区的硬度和拉伸强度。焊后人工时效并不提升100 mm/min的低焊接速度接头的最低硬度区硬度和拉伸强度，但大幅提高了400和800 mm/min的高焊接速度接头的最低硬度区硬度和拉伸强度。 最后，研究了焊接后热处理和水冷对FSW 2014-T6铝合金接头组织与性能的影响。研究发现，接头的前进和后退侧也各出现了一个最低硬度区，焊后人工时效对FSW 2014-T6铝合金接头的力学性能没有影响，而焊后T6热处理可将接头将各区域的硬度恢复至母材水平，但是会导致焊核区发生晶粒异常长大或沿“S”线开裂，损害接头的力学性能。与2219铝合金一样，水冷不能提高FSW 2014-T6铝合金接头的拉伸强度。
公开日期	2013-04-12
内容类型	学位论文
源URL	[http://210.72.142.130/handle/321006/64479]
专题	金属研究所_中国科学院金属研究所
推荐引用方式 GB/T 7714	张振. 三种典型商用2xxx系铝合金搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究[D]. 北京. 中国科学院金属研究所. 2012.

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