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《哈尔滨工业大学》 2010年
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铝合金搅拌摩擦焊接头超声信号特征与质量评价方法

赵雪梅  
【摘要】:搅拌摩擦焊工艺(Friction Stir Welding,FSW)发明至今,在经历了从实验室研究到实际工业应用到大规模生产制造的成功过渡后,目前已经发展成为在铝合金结构制造业中应用广泛的成熟技术。尽管这项技术在航空航天、舰船、高速轨道客车等领域有了诸多成功应用的典型范例,然而,由于FSW接头质量的无损检测技术进展比较缓慢,评价标准与方法相对落后,在一定程度上影响了该项技术进一步应用。针对这一问题,本文以超声检测技术为基础,探讨了FSW接头内部缺陷的无损检测工艺以及影响检测精度的因素、接头内部微观组织变化的无损表征方法以及接头抗拉强度无损预测方法。 通过控制焊接工艺参数,获得了带有典型缺陷和完好的2219-T6铝合金FSW接头。针对FSW工艺最容易出现的两种典型缺陷:隧道型孔洞和紧贴型根部未焊合,探讨了超声波的检测频率、入射角度对缺陷检出能力的影响。分别采用超声波相控阵以及常规水浸聚焦C扫描方法对FSW接头进行了检测,讨论了两种方法对FSW接头微小缺陷的检测能力。研究了FSW接头特有的周期性粗糙表面对超声的衍射作用,并尝试从理论上解释其物理机制。使用水浸聚焦C扫描方法对不同表面状态下FSW接头中的缺陷进行了检测,证明了周期性粗糙表面是影响搅拌摩擦焊接头内部微小缺陷检出能力的关键因素。 从晶粒尺寸、第二相分布、硬度分布等方面分析了FSW接头不同位置微观组织的变化,同时测试了FSW接头不同位置的超声波特征量(包括声速和衰减系数)的分布并分析了它们与接头微观组织的联系,揭示了超声波特征量的变化与接头的微观组织变化之间的相关性。相对于声速变化,衰减系数相关性更高。根据接头不同区域超声相对衰减系数的差异,对FSW接头进行了定量划分,划分得到的各部分区域分别对应于接头的母材区、热影响区和焊核区。以焊核区为例,考虑到晶粒散射、第二相质点散射作用,以微观结构尺寸为桥梁,利用修正的超声衰减系数推导了焊核区的名义硬度,名义硬度与实测硬度呈现良好的线性关系,为FSW接头微观组织不均匀程度的定量分析奠定了基础,也为在役FSW接头微观组织变化的描述提供了可行的方法。 第五章探讨了利用超声无损预测接头抗拉强度的可行性。通过分析搅拌摩擦焊接头的超声C扫描检测图像和接头不同位置的超声波衰减分布,提出了有缺陷和无缺陷两种情况下接头抗拉强度的超声评价方法。对于有缺陷的接头,首先采用固定阈值对超声C扫描图像进行灰度提取,获得了孔洞缺陷尺寸的信息,将缺陷对结构强度的影响简化为减小了结构的有效工作面积后,推导接头的抗拉强度。预测结果与实测抗拉强度吻合较好。对于无缺陷的FSW接头,采用聚类分析结合形态学图像处理的方法,对接头超声波衰减图像进行处理,获得了FSW接头各区域的尺寸及区域特征值,定性表征了接头内部微观组织不均匀程度。在此基础上,分析了区域特征值与接头抗拉强度之间的相关性,并建立了预测FSW接头抗拉强度的多元回归模型。该模型可以定性地、无损地预测不同工艺参数获得的无缺陷FSW接头抗拉强度的等级,为FSW焊接工艺选择、在役FSW接头性能评价提供可选的无损评价方法。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG441.7

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