厚板铝合金SSFSW角焊缝接头工艺及组织性能研究

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采用自主研制8.5mm长度搅拌针的静止轴肩搅拌工具和2A14-T4厚板铝合金进行150°角焊缝接头搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)工艺试验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。为厚板铝合金结构制造中实现角焊缝SSFSW工艺过程提供重要试验依据。通过大量工艺实验,获得9.3 mm厚2A14-T4厚板铝合金的SSFSW优化工艺窗口,在500~700 rpm主轴转速与40~100 mm/min焊接速度范围内均可获得表面光滑无内部缺陷的角焊缝接头,其外观尺寸可精确控制,保证焊接角度的精准性。对焊接接头的宏观形貌进行分析:焊缝区主要由搅拌区(Stirring zone,SZ)组成,SZ形状类似搅拌针圆锥台状或椭圆状、其宽度沿厚度方向分布比较均匀;热力影响区(Thermal mechanical affect zone,TMAZ)及热影响区(Heat affect zone,HAZ)宽度明显较小,SZ的平均宽度随着焊接速度的增大而减小。进一步探索焊接接头微观组织与焊接工艺之间的变化规律:TMAZ晶粒组织的变形程度随着焊接速度的减小及转速的增大而增大,并且,从接头上部区域至下部区域,变形程度逐渐减小,SZ的晶粒大小从上部区域至底部区域逐渐减小。SZ内部同时存在位错强化及再结晶软化机制,位错密度随着主轴转速的增大而减小,再结晶程度随着主轴转速的增大而增大。软化区的位错密度远小于SZ,RS软化区的再结晶程度大于AS。SZ内部强化相在焊接过程中溶解然后析出,软化区的强化相仅发生粗化。焊缝区横向硬度分布具有明显不均匀特征,最薄弱区位于TMAZ与HAZ的交界处,沿厚度方向上表现出良好的均匀性。主轴转速变化对焊缝区平均硬度影响较小,但随着焊接速度增加其平均硬度明显增大。角焊缝前进侧(Advanced side,AS)等效拉伸强度大于后退侧(Retreat side,RS),等效拉伸强度随转速增加而减小,焊速的增大而增大。在500 rpm-100 mm/min焊接工艺下所得到接头等效拉伸强度最高,可达到母材的79.24%。所有试样均断在TMAZ与HAZ的交界处,在拉-剪复合承载模式下,角焊缝拉伸试样宏观塑性变形很小呈现脆性断裂特征。
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