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高强铝合金厚板搅拌摩擦焊研究

周鹏展  
【摘要】: 高强铝合金厚板焊接是搅拌摩擦焊的前沿难题,实现这一难题的突破是本研究的目标。 2519铝合金是一种新型高强装甲铝铜合金,它不仅比重轻、机械强度高,而且抗应力腐蚀、抗冲击性能强。2519铝合金厚板焊接采用传统的熔化焊方法时容易产生气孔、热致裂纹、变形等缺陷,本论文研究如何应用搅拌摩擦焊方法得到无缺陷、高强度的焊缝组织。由于2519铝合金厚板的材料组份与性能的特点,焊接难度很大,是我国国防装备急需而又未能解决的难题,研究2519铝合金厚板的搅拌摩擦焊接技术及焊接机理具有重要的应用价值和理论意义。 本文通过对2519铝合金厚板的搅拌摩擦焊接试验、微观组织分析及力学性能试验,研制了一种用于厚板焊接的凹锥粗螺旋结构的搅拌头,通过红外测温监控和液压控制系统调节焊接压力的方法解决了长焊缝焊接工艺实时调节难题。用专用搅拌头实现了20mm厚的2519铝合金板的单道对接搅拌摩擦焊,焊缝的抗拉强度达到了305MPa,焊接强度系数达到了基材的64%,实现了高强铝合金厚板焊接性能的突破。 基于计算流体动力学理论,建立了2519厚板搅拌摩擦焊接过程的热-流-固耦合模型。模型中综合纳入了随实际摩擦界面温度而变化的非线性摩擦系数与非线性摩擦剪应力、以及随温度和应变率变化的非线性粘度因素,克服了现有搅拌摩擦焊热源模型不能反映焊接工艺参数变化对其影响的局限性,为改进焊接工艺和动态调控焊接过程提供依据。 通过对厚板焊接过程中不同搅拌头结构下焊缝金属的粘塑性流动、温度分布、应力应变等结果的综合与系统分析,改进的方形搅拌头结构可满足2519厚板焊接的特殊要求,取得较好的焊接效果。 对焊接过程中焊缝疏孔的形成与消除机理进行了分析,研究了搅拌头结构和焊接参数对焊接疏孔的影响规律,首次提出:由方形搅棒运动在焊缝金属中产生的旋转压应力场是其能够弥合与消除厚板焊接疏孔的原因;搅棒直径增加太大后,搅棒附近焊缝金属的瞬态压应力减小、并且压应力作用区相对较窄又将导致焊缝成型差和产生疏孔。另外,调节焊接参数可以消除焊接疏孔的机理是两种参数的综合作用:一是施加合适的压力,产生合适的焊接高温,使焊缝金属的屈服强度降低;二是合适的运动参数与搅拌头形状,最终使焊缝金属在压应力状态下充分塑性流动而完成无缺陷焊合。通过焊接机理的研究,找到引起厚板焊接困难的原因,为改进搅拌头结构、匹配工艺参数提供评价方法。


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