2A14铝合金静轴肩搅拌摩擦焊T形接头组织性能研究

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在铝合金连接结构领域使用搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)技术具有成形美观、节能环保、无污染等优势。由于轴肩结构的限制,在飞行器尾翼以及箱体制造中常用的T形接头的应用方面难以得到性能优良的接头。静轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)作为一种新式搅拌摩擦焊技术,将轴肩和搅拌针进行分离,焊接过程中轴肩不发生旋转,将轴肩加工为直角即可在T形接头内部进行焊接,避免了传统焊接经常导致的未焊透以及内部缺陷,具有独特的优势。本文针对8.5mm厚的2A14铝合金进行SSFSW-T形接头试验,研发优化焊接工具和固定工装,探索不同工艺参数对接头组织以及力学性能的直接影响,结合数值分析模拟的结果,揭示T形接头连接机理,为铝合金T形接头优质连接提供理论指导。针对T形接头结构特征以及材料属性,基于T形接头的优质连接以及减少焊接过程搅拌工具损坏的前提下,自主设计了T形接头焊接工具和固定工装,并对搅拌针材料以及结构进行优化。对焊接过程中的温度以及扭矩进行监测,并结合不同工艺参数下的温度场模拟进行分析,研究结果表明,焊接温度场分为预热、焊接稳定以及散热三个阶段,温度场以焊缝为中心呈椭圆形向两侧扩展。采用单一控制变量法,对不同焊接速度(25-100mm/min)以及搅拌针转速(1500-2250rpm)下的接头宏观成形以及显微组织变化进行详细研究。随焊速以及转速的提高,焊缝表面沟槽现象加重。T形接头分为焊核区、热机影响区和热影响区,而焊核区又分为第一道焊核区、第二道焊核区以及焊核重叠区。焊核区均为大小均一的等轴晶,以较弱的剪切织构为主,再结晶形式以几何动态再结晶为主并伴随有连续动态再结晶;热机影响区主要由长条状弯曲晶粒组成;热影响区由大小不一的轧制态晶粒构成,随着焊接速度的提高以及旋转速度的下降,该区域晶粒尺寸出现先增后减的趋势。接头不同区域的硬度分布与晶粒尺寸以及沉淀相的分布有关,结果表明T形接头底板以及筋板方向硬度分布分别呈现“W”型和“N”型,硬度最低值均位于热机影响区。随焊速以及转速的增加,接头整体硬度分布没有明显变化。拉伸以及断口测试表明随着焊接速度以及搅拌针转速的增加,底板以及筋板的抗拉强度均呈现先增大后减小的趋势,最高值分别为母材的71.21%以及50.93%,断裂模式为韧性断裂以及韧脆混合型断裂。
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