退火工藝對LY12摩擦焊件接頭力學(xué)性能的影響

1、本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計 開 題 報 告題 目 退火工藝對LY12摩擦焊件接頭力學(xué)性能的影響 學(xué)生姓名 楊 瑞 娟 學(xué)號 1114054239 所在院(系) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 專業(yè)班級 材 控1104 指導(dǎo)教師 孟 凡 瑩 2015年 3 月 20 日題 目退火工藝對LY12摩擦焊件接頭力學(xué)性能的影響一、選題的目的及研究意義1.目的：摩擦焊具有廣泛的工藝適應(yīng)性，可以進行同質(zhì)金屬材料、異形金屬材料、金屬與非金屬材料的焊接，特別是許多很難或者不能用熔焊方法焊接的材料、一些新型材料、難溶材料，都可以考慮用摩擦焊進行焊接，如高強、高溫合金及有色金屬材料、輕金屬、粉末合金材料、形狀記憶合金、鑄造合金、復(fù)

2、合材料等11。2.研究意義：摩擦焊是一項先進的固態(tài)焊接技術(shù) , 它具有焊接質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高、成本低、易實現(xiàn)生產(chǎn)自動化等優(yōu)點 , 并已在汽車、 拖拉機、閥門、鍋爐、 地質(zhì)鉆探、石油機械等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。 但目前對摩擦焊工藝因素，組織結(jié)構(gòu)因素，合金成分等的交互作用的研究很浮淺,在實際生產(chǎn)中存在經(jīng)驗不足、生產(chǎn)穩(wěn)定性差等問題 , 使摩擦焊接頭的強韌性偏低。 低中碳合金鋼摩擦焊空冷后 , 焊縫近縫區(qū)硬度較高 , 韌性較低 , 其原因之一是近縫區(qū)在焊后空冷得到的是不均勻的淬硬組織 , 因此常通過焊后熱處理來改善焊縫的韌性。 對于細(xì)長桿件的摩擦焊接頭常采用焊后接頭局部回火熱處理,但在實際生產(chǎn)中常因回火工

3、藝參數(shù)選擇不當(dāng) ,使焊縫及熱影響區(qū)的硬度和強度顯著下降 , 導(dǎo)致拉伸試件斷于焊縫或熱影響區(qū) , 使焊縫成為構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)。并且大量試驗發(fā)現(xiàn) , 在實際生產(chǎn)的母材焊前熱處理過程中 , 熱處理工藝參數(shù)波動使母材的力學(xué)性能不均勻 ; 而摩擦焊焊縫的強度則隨著母材強度的變化而變化 , 焊前母材的組織狀態(tài)與性能是否與摩擦焊接頭的組織與性能有直接關(guān)系 ,目前有關(guān)此方面的研究極少。為此本試驗選用石油機械部門中用于制造抽油桿的材料 LY12為母材, 在同樣摩擦焊工藝參數(shù)下進行摩擦焊,探討焊后退火熱處理工藝對接頭強韌性的影響, 從而為工程應(yīng)用中制定生產(chǎn)工藝提供理論依據(jù)13。二、綜述與本課題相關(guān)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀、發(fā)

4、展趨勢、研究方法及應(yīng)用領(lǐng)域等1、連續(xù)驅(qū)動摩擦焊原理：連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接是最典型的摩擦焊接方法，其原理是在摩擦壓力的作用下被焊界面相互接觸，通過相對運動進行摩擦，使機械能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，利用摩擦熱去除界面的氧化物，在頂鍛力的作用下形成可靠接頭10。2、研究現(xiàn)狀：摩擦燥的概念最早于1891年由英國人J.H.貝文頓提出,至 1956年連續(xù)驅(qū)動摩擦焊(FRW)由前蘇聯(lián)學(xué)者首先試驗成功。此后,摩擦焊作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和無污染的先進焊接方法,已被眾多發(fā)達國家作為一項技術(shù)政策而大力推廣應(yīng)用。我國是世界上研究摩擦焊最早的國家之一,但我國應(yīng)用摩擦焊技術(shù)所焊接的產(chǎn)品只有英、美、日等發(fā)達國家的1/5至1/10,應(yīng)用

5、領(lǐng)域有限。限制摩擦焊技術(shù)在我國進一步推廣應(yīng)用的影響因素有很多方面,其中焊接質(zhì)量的穩(wěn)定性是一個重要原因。要縮短與發(fā)達國家的差距,大力推廣摩擦焊技術(shù),就必須大力開展摩擦焊接技術(shù)的相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究2。LY12是可熱處理強化的鋁合金,經(jīng)固溶處理,自然時效或人工時效后具有較高的強度。該合金還具有良好的成形性能和機械加工性能,能獲得各種類型的制品,是最廣泛應(yīng)用的鋁合金之一。在生產(chǎn)上,一般LY12合金工件只要求進行固溶+自然時效或固溶+人工時效處理,并無性能指標(biāo)要求。但是對于某些特殊工件有具體的性能要求。由于LY12合金性能數(shù)據(jù)不全,而且原材料狀態(tài)對熱處理性能也有影響,給工藝編制帶來了困難15。生產(chǎn)中

6、LY12合金工件1及工件2分別要求60-105 HB及100-120 HB,測試原材料硬度為120-125 HBS,需要進行過時效處理。先對試塊處理確定了過時效溫度,但處理工件時硬度不合格,因此又要進行固溶+時效+過時效處理,這樣增加了生產(chǎn)周期。初步的試驗表明過時效硬度對溫度及保溫時間很敏感,不易控制,與以往處理鋁合金的情況不同。此外,生產(chǎn)中有時會考慮采用固溶+人工時效還是固溶+自然時效處理,就需要具體的數(shù)據(jù)作參考。因此開展了熱處理工藝對LY12合金性能的影響的研究,得出適合我單位生產(chǎn)實際的LY12合金熱處理基本數(shù)據(jù),為生產(chǎn)提供技術(shù)支持,以便于在工藝編制時根據(jù)技術(shù)要求,選定工藝參數(shù),避免邊生產(chǎn)

7、邊試驗,影響生產(chǎn)任務(wù)的完成15。3.發(fā)展趨勢：摩擦焊工藝是自激光焊接問世以來最引人注目的焊接方法。它的出現(xiàn)將使鋁合金等有色金屬的連接技術(shù)發(fā)生重大變革。用連續(xù)驅(qū)動摩擦焊方法焊接鋁合金取得了很好的效果?，F(xiàn)如今在英、美等國正進行鋅、銅、鈦、低碳鋼、復(fù)合材料等的連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接。連續(xù)驅(qū)動摩擦焊在航空航天工業(yè)領(lǐng)域有著良好的應(yīng)用前景10。鋁合金材料是制備我軍兩棲裝甲突擊車、兩棲步兵戰(zhàn)車和輕型履帶式步兵戰(zhàn)車（空降兵戰(zhàn)車）的主要材料，其具有密度低，導(dǎo)電導(dǎo)熱能力強，力學(xué)性能優(yōu)異，可加工性好等優(yōu)點。雖然鋁合金表面采取了表面陶瓷化和噴涂等多種防護措施，基本具備了服役運行中抵抗腐蝕破壞的能力，但服役過程中的惡劣環(huán)境仍

8、會導(dǎo)致表面防護層局部開裂從而使其喪失防護性能，使得局部區(qū)域的金屬與腐蝕介質(zhì)發(fā)生觸應(yīng)力腐蝕不可避免。同時由于鋁合金裝備多服役于高溫高濕地區(qū)，鋁合金表面在殘余應(yīng)力的作用下易發(fā)生氫致脆性斷裂。氫致脆性斷裂和應(yīng)力腐蝕的共同存在更加速了裂紋的擴展，從而對鋁合金裝備帶來致命的損傷【14】。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)輕質(zhì)合金如鋁合金，其裝備及零部件的腐蝕、磨損、疲勞、裂紋、斷裂等問題嚴(yán)重，針對這一問題本文研究并分析了退火熱處理條件下LY12 鋁合金焊接接頭的余應(yīng)力及力學(xué)性能。該研究為未來裝甲鋁合金的焊接設(shè)計、加工方案提供了理論支持，在軍事應(yīng)用方面具有廣闊前景【14】。4.研究方法： 主要的工藝流程是：選材切割摩擦焊接

9、保溫空冷清潔線切割熱處理力學(xué)性能實驗比較分析。對已處理完的試樣進行檢驗，用常規(guī)金相制備方法，將焊縫縱截面制成金相樣品，再用掃描電子顯微鏡觀察焊接接頭組織形貌和分析金屬間化合物的成分。5.摩擦焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：鋁合金的摩擦焊經(jīng)歷了10年的研究發(fā)展，現(xiàn)在國外已經(jīng)進入大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用階段尤其在美國的宇航工業(yè)、歐洲的船舶制造工業(yè)、日本的高速列車制造等工業(yè)制造領(lǐng)域得到了非常成功的應(yīng)用。船舶制造和海洋工業(yè)：船舶制造和海洋工業(yè)是摩擦焊首先得到商業(yè)應(yīng)用的兩個工業(yè)領(lǐng)域。 在航天領(lǐng)域，摩擦焊在宇航領(lǐng)域的工業(yè)應(yīng)用范圍主要為：機翼、機身、尾翼、飛機油箱；外掛燃料箱；運載火箭、航天飛機的低溫燃料筒；軍用和科學(xué)研究火箭

10、和導(dǎo)彈；熔焊接構(gòu)件的修理等。 鐵路運輸工業(yè)：利用摩擦焊技術(shù)來制造高速列車已經(jīng)取得成功，摩擦焊在列車制造領(lǐng)域的應(yīng)用主要為：高速列車、軌道貨車、地鐵車廂和有軌電車、軌道油輪和貨物駁船、集裝箱體等。 陸路交通工業(yè)：目前應(yīng)用主要為在發(fā)動機引擎和汽車底盤和車甚支架、汽車輪鼓液壓成型管附件、汽車車門預(yù)成型件、車體空間框架、卡車車體、載貨車的尾部升降平臺、汽車起重器、裝甲車的防護甲板、汽車燃料箱、敞篷旅行車、公共汽車和機場運輸車、輕合金摩托車和自行車、人工關(guān)節(jié)和零件、逃生交通工具、鎂合金和鋁合金的連接。 建筑工業(yè)：摩擦焊在民用建筑工業(yè)的應(yīng)用主要為：鋁合金橋梁、鋁合金、銅合金、鎂合金裝飾板、門窗框架鋁、合金管

11、線、電廠和化學(xué)工廠的鋁合金反應(yīng)器、熱交換器、中央空調(diào)、管狀結(jié)構(gòu)件制造等。 電子工業(yè)：電子工業(yè)對摩擦焊的興趣也在增加，其應(yīng)用主要表現(xiàn)為：發(fā)動機殼體、電器連接件、電器封裝等。 其他工業(yè)領(lǐng)域：在其他工業(yè)領(lǐng)域攪，摩擦焊也有較多應(yīng)用。例如，冰箱冷卻板、廚房電器和設(shè)備、白色家用物品和工具、天然器、液化氣儲箱和容器、家庭裝飾等4。三、對本課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法（技術(shù)路線）或設(shè)計（實驗）方案進行說明1.本課題要解決的主要問題：本課題是以硬鋁LY12棒材為研究對象，研究不同退火溫度、保溫時間時接頭的抗拉強度測試、接頭彎曲強度試驗。（1）比較不同退火溫度下進行熱處理的鋁合金

12、摩擦焊后的焊接接頭力學(xué)性能的區(qū)別，確定一個最佳的退火溫度；（2）比較不同保溫時間下進行熱處理的鋁合金摩擦焊后的焊接接頭力學(xué)性能的區(qū)別，確定一個最佳的保溫時間；2.解決問題的思路：解決此問題思路是用控制變量法，在其他條件不變的前提下改變某一研究量，最終確定該研究量的最佳方案。（1）在保溫時間不變前提下，在不同的退火溫度下進行熱處理，通過對焊接接頭力學(xué)性能的分析，確定一個最佳退火溫度范圍；（2）在所確定的最佳退火溫度不變的前提下，采用不同的保溫時間進行熱處理，通過對焊接接頭力學(xué)性能的分析，確定一個最佳保溫時間；（3）采用以上得到的最佳退火溫度和保溫時間，進行熱處理，與未進行熱處理的焊接接頭力學(xué)性能

13、進行比較，分析其優(yōu)缺點。3.擬采用的實驗方案：（1）準(zhǔn)備材料：直徑40mm，長度100mm的硬鋁Ly12棒料兩份（已打磨）；（2）進行試樣的切割及表面清潔處理；（3）對硬鋁LY12金屬進行連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接；（4）保溫一段時間然后空冷；（5）簡單清潔，進行線切割；（6）進行不完全退火工藝處理（退火溫度350-380，保溫時間1-3h）；（7）進行力學(xué)性能(拉伸、壓彎)測試實驗，分析力學(xué)性能的變化；（8）采用列表法（作圖法）對實驗結(jié)果進行總結(jié)分析，通過實驗所得的數(shù)據(jù)確定最佳工藝。4.論文寫作提綱：（1）任務(wù)書（2）中英文摘要（3）目錄（4）引言（本課題研究的目的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究內(nèi)容及技術(shù)路線

14、）（5）論文正文（實驗內(nèi)容與方法、實驗材料與設(shè)備、分析測試、實驗結(jié)果、分析與討論）（6）結(jié)論（7）致謝（8）參考文獻備注：在這個實驗中，可能影響實驗結(jié)果的因素還有：切割有誤差，忽略了材料焊接長度和直徑，還有材料放置位置（一般認(rèn)為熔點高的放在溫度高的一側(cè)，有利于金屬塑化流動，獲得理想接頭）對實驗結(jié)果影響。故上述的因素均采取經(jīng)驗值。四、檢索與本課題有關(guān)參考文獻資料的簡要說明1Swindler D E. What Industry needs to know about friction welding J. Welding Journal: 1994, 73(3):37-42.2段立宇,杜隨更,時

15、渭清等.摩擦焊接的現(xiàn)狀和展望J.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1993,11(增刊):1-8. 3Kevin, J. Cr ewe. Friction welding takes on new applications J.Welding Journal, 1997, 9-40.4王敬和,曲伸,祝文卉.現(xiàn)代摩擦焊技術(shù)在航空制造業(yè)中的應(yīng)用和發(fā)展J.航空制造技術(shù),2006,(5): 14-15.5張忠信,朱海,吳則中等.摩擦焊在石油機械制造中的應(yīng)用J.石油礦場機械,1998,27 (1): 4-7.6中國機械工程學(xué)會焊接學(xué)會編.焊接手冊-焊接方法及設(shè)備(第2版) M.機械工業(yè)出版社,2005:697-699,

16、711-712,706-707.7段立宇,劉金合.摩擦焊接物理研究進展J.西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1993,11(增刊):9-168CHENG Shijiazhuang, The Chinese Welding Engineer Handbook, The second edition (Beijing, Machinery Industry Press, 2010) p.671(陳祝年, 焊接工程師手冊(第二版), (北京: 機械工業(yè)出版社,2010)9 李鵬,李京龍,梁力,熊江濤,張賦升.連續(xù)驅(qū)動摩擦焊接頭的特征形貌和性能J材料研究學(xué)報，2014,7,7-28.10 韓麗娟，李亞磊.連續(xù)驅(qū)動摩擦

17、焊接基本原理及發(fā)展現(xiàn)狀J工程技術(shù)與產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟，2011,2，1007-3973（2011）001 -030.11 陳忠海,摩擦焊接技術(shù)及其工程應(yīng)用J焊接應(yīng)用，2011,8,8-41.12 Nicholas E DFriction processing technologiesRCopyright by TWI， 199913 劉雪梅，張彥華，鄒增大先進摩擦焊接技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用 J熱加工工藝， 2006， 7(35)： 4952.14 黃艷斐，汪勇，周新遠(yuǎn)，張偉. 不同熱處理條件下LY12鋁合金焊接試樣的殘余應(yīng)力及力學(xué)性能M.北京：材料熱處理技術(shù).2012.15 劉春燕,邱義倫,王斌. LY12鋁合金熱處理工藝研究M.四川：中國工程物理研究院.2008. 五、畢業(yè)設(shè)計進程安排（1）1月10日到3月20日