搅拌摩擦焊接根部弱连接产生机理及调控方法研究

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搅拌摩擦焊作为一种新型的固相焊接方法,能避免焊后接头出现热裂纹、气孔、夹杂等缺陷,因而非常适用于焊接传统熔化焊难以焊接的Al-Cu系列和Al-Zn系列高强铝合金。由于搅拌摩擦焊固有的特点,高速焊接接头极易出现根部弱连接等焊接缺陷,导致接头力学性能低下。因此,消除高速焊后接头产生的根部缺陷、提高焊接效率成为了高速搅拌摩擦焊接的难点所在。本文通过采用不同焊接前进速度对2195铝锂合金进行搅拌摩擦焊接,探究焊接前进速度对接头微观组织、力学性能及根部弱连接的影响。尝试搅拌摩擦补焊的方法消除接头根部弱连接缺陷,对比分析补焊前后接头微观组织和力学性能的变化。主要研究结果如下:(1)焊接前进速度增加,焊缝表面弧形花纹间距加宽,两侧飞边减少,整体表面质量良好。速度达到200 mm/min及以上的接头底部出现根部弱连接现象,其形成主要机制是接头底部在焊接过程中热输入较低,未受到充分的搅拌作用,接头底部结合面未形成有效的冶金结合。(2)随着焊接前进速度的增加,热影响区的范围变窄,晶粒长大程度降低。热机影响区面积变小,且组织被弯曲和拉长的程度降低,晶粒发生动态回复的程度降低。焊核区晶粒发生动态再结晶程度降低,晶粒明显细化。(3)热影响区中主要强化相T1相发生粗化或溶解,随焊接速度的增加,T1相粗化和溶解的程度降低。焊核区T1相等强化相基本溶解,冷却过程中析出β′相、δ′相等强化相,随着焊接前进速度增加,重新析出的相数量减少。(4)补焊后,接头根部弱连接现象消失,接头美观无缺陷。热机影响区发生动态回复,晶粒变化程度不大。低焊速焊接接头焊核区中部晶粒在补焊后略微长大,高焊速焊接接头中部晶粒在补焊后有所细化。焊核区底部晶粒再次经历破碎—动态再结晶过程,尺寸有所增加。接头热影响区析出相进一步溶解和长大,焊核区析出相再次经历溶解—析出过程,数量减少。(5)搅拌摩擦补焊略微降低了焊接接头各特征区域的硬度,但大幅提升了高速焊接接头的强度和塑性。补焊后接头的断裂方式由脆性断裂转变为韧—脆混合断裂。采用高速搅拌摩擦焊+背部补焊的方式,能在焊接前进速度提升4倍的同时获得优良的力学性能,极大程度提高了焊接效率。
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