中厚板高强铝合金双脉冲机器人焊接技术研究(2)
4 焊缝接头微观组织分析 27
4.1 焊缝微观组织分析 27
结 论 32
致 谢 33
参考文献34
1 绪论
1.1 选题背景与选题意义
随着现阶段高新科技和材料学，制造业的迅猛发展，铝合金在生活生产中应用日益广泛。高强铝合金因其具有较高的比强度、良好的导电性，延展性和耐腐蚀性、密度小及良好的力学性能,成为航空航天、轻型战车结构的理想材料。国外航空军事竞争逐日加强，我国国防工业也快速发展,基于高强铝合金的强度和良好的力学性能，对高强铝合金的需求快速增加，在轻型战车、客机、航空航天应用最为广泛。高强铝合金制造各种结构材料和零部件主要是通过焊接成形, 因此焊接性能是其重要的工艺性能指标。
铝合金焊接主要有以下难点[1,2] ：
(1)热裂纹：铝合金属于典型的共晶性合金，而且线膨胀系数较大（23．5×l0 /℃ ，比钢约大两倍左右）。焊缝凝固时会形成所谓的“液态薄膜”,使晶界的结合力变弱,由于过大的收缩内应力而导致裂纹。
(2)氧化膜：铝合金表面易产生难熔的氧化膜(Al2O3熔点为2060 ℃), 很稳定，易吸潮，难去除，妨碍焊接过程的进行，在焊接过程中易形成气孔、夹渣等缺陷，从而降低焊接接头的机械性能，从而需要采用大功率密度的焊接工艺；
(3)氢气孔:由于氢的溶解度骤降，铝合金焊接中易形成氢气孔。
(4)导热率和比热容大：比钢大很多,相同焊接速度下,热输入量要比焊接钢材大2～4倍，为了获得高质量的焊接接头，必须采用能量集中、功率大的热源，并采取预热措施。
(5)接头“软化”:合金元素的蒸发和烧损，铝合金焊接接头软化严重, 强度系数低。
(6)无色泽变化:铝及铝合金从固态变成液态时无明显的色泽变化，因此在焊接过程中给操作者带来不少困难。
针对中厚板高强铝合金，由于其厚度大和高导热性,其焊接性也变得困难，焊接时需要克服的难点更加复杂多变。对于铝合金中厚板，需采用多层多道焊, 而焊缝表面易形成的高熔点氧化铝,会导致焊缝夹渣,焊后热裂纹严重,接头强度弱[2]。鉴于厚板高强铝合金以上的焊接特点和难点,要想得到优良的焊缝, 就需要采用能量密度大、焊接热输入小、焊接速度高的高效焊接方法。
1.2厚板高强铝合金焊接研究现状
1.3 厚板高强铝合金的焊接新工艺
1.3.1 高强铝合金的搅拌摩擦焊
搅拌摩擦焊FSW(Friction Stir Welding)是由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)1991年提出的新型固态塑性连接工艺[2-3]。由于搅拌摩擦焊焊接过程中不存在金属的熔化,是一种固态连接过程,故焊接时不存在熔焊时的缺陷,可以实现熔焊方法难以焊接的有色金属材料,如铝及高强铝合金、铜合金、钛合金以及异种材料、复合材料等的焊接。搅拌摩擦焊原理如图1.3所示[4]。搅拌摩擦焊为固相连接,在焊接过程中,工件要固定在刚性背垫上,搅拌头高速旋转并将焊针挤入待焊工件的接缝处,直至搅拌头的轴肩与工件紧密接触。搅拌针伸进材料内部进行摩擦和搅拌,随着焊针的钻入,肩部与被焊工件表面接触,其旋转产生了辅助的摩擦热将焊针周围的金属转变成塑性状态,使接缝处材料产生塑性流变,搅拌头一边高速旋转,一边沿工件的接缝与工件相对移动。产生塑性流变的材料被挤压到搅拌头前进方向的尾部,防止了塑性状态材料的溢出,同时可以起到清除表面氧化膜的作用。随后,塑性金属流在挤压下重新结合形成固相焊缝。搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法。这项新型的焊接技术在航空航天飞行器、高速舰船快艇、高速轨道列车、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中,已经展示出显著的技术和经济效益。
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