開(kāi)題報(bào)告-畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告2219鋁合金攪拌摩擦焊焊縫析出相分析 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 院： 指導(dǎo)老師：1、 論文選題的目的和意義攪拌摩擦焊(FSW)是由英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)。由于FSW是固相連接，熱輸入量低，和傳統(tǒng)的熔焊相比，其接頭力學(xué)性能優(yōu)異，具有優(yōu)質(zhì)、高效、低耗、焊接變形小等特點(diǎn)。FSW已成功應(yīng)用于鋁、鎂、銅、不銹鋼、低碳鋼和鋁基復(fù)合材料的焊接，尤其是鋁合金的攪拌摩擦焊已經(jīng)成功應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，在航空、航天、船舶領(lǐng)域得到應(yīng)用。2219鋁合金作為一種高強(qiáng)可熱處理強(qiáng)化鋁合金，具有高比強(qiáng)等特性，在航空航天，國(guó)防等領(lǐng)域尤為重要。對(duì)2219鋁合金攪拌攪拌摩擦焊焊縫析出相的分析，研究硬鋁

2、中第二相粒子的熱力學(xué)行為，探討強(qiáng)化相在焊接過(guò)程和熱處理過(guò)程中的演化規(guī)律，對(duì)提高焊接質(zhì)量具有重要意義。該研究具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。 圖1 攪拌摩擦焊的工藝過(guò)程2、 國(guó)內(nèi)外關(guān)于該論題的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 1 攪拌摩擦焊的工藝過(guò)程 攪拌摩攘焊是利用耐高溫硬質(zhì)材料制成一定形狀的焊具，伸入被焊工件的接縫處，依靠高速旋轉(zhuǎn)的焊具在兩焊件邊緣產(chǎn)生摩、擦熱。使接縫處金屬塑化來(lái)完成焊接的。焊接過(guò)程如圖所示。被焊工件需要?jiǎng)幮怨潭ㄔ趬|板上，以免焊具、沿焊縫運(yùn)動(dòng)時(shí)造成工件移動(dòng)和外表面隆起。在焊接過(guò)程中，焊具在高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)沿工件的接縫與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)焊具與工件之間摩擦生熱，使焊具臺(tái)肩下面和型銷(xiāo)周?chē)慕饘侔l(fā)生強(qiáng)烈

3、塑性變形，然后隨著焊具的移動(dòng)，在型銷(xiāo)旋轉(zhuǎn)方向上產(chǎn)生的摩擦、攪拌和頂鍛作用下，型銷(xiāo)的前表面把高度塑化的金屬移送到型銷(xiāo)后表面。這樣，焊具沿著工件接縫前進(jìn)時(shí)攪拌摩擦焊具前面的接頭表面被摩擦加熱至超塑性狀態(tài)。焊具的型銷(xiāo)部位伸進(jìn)焊接材料內(nèi)部進(jìn)行摩撩和攪拌，焊具的臺(tái)肩與工件表面摩擦并推壓被攪拌的金屬，用于防止熱塑性狀態(tài)金屬的溢出，同時(shí)起到清除表面氧化膜的作用。焊具后面的金屬冷卻后形成攪拌摩擦焊縫。 需要注意的一點(diǎn)是，攪拌摩擦焊過(guò)程中，由于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，會(huì)使攪拌頭兩側(cè)與被焊工件的相對(duì)速率不一致。其中，攪拌頭在在焊縫方向上的切線速度與焊接速度方向相同的一側(cè)稱為前進(jìn)側(cè)（AS），而相反的一側(cè)稱為后退側(cè)（RS）

4、。攪拌焊接頭在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的形貌會(huì)略有不同，這是由于焊接過(guò)程中兩側(cè)相對(duì)速率不同，產(chǎn)生的熱量不同，導(dǎo)致兩側(cè)金屬塑性流動(dòng)狀態(tài)的差異所導(dǎo)致的。 2 摩擦攪拌焊的特點(diǎn)目前，攪拌摩擦焊在鋁合金的研究最多。由于攪拌摩擦焊的過(guò)程中不存在金屬的融化，接合部分的溫度處于鋁合金的熔點(diǎn)以下，屬于固相連接過(guò)程，具有：焊接接頭力學(xué)性能好；避免氣孔、裂紋等缺陷；焊后殘余應(yīng)力和變形?。豢蓪?shí)現(xiàn)不同位置、多重形式的焊接；無(wú)飛濺、無(wú)煙塵等優(yōu)點(diǎn)。但是，攪拌摩擦焊在應(yīng)用中還存在焊接速度低、焊合部分的背面需要擋板或夾具以提供頂住焊具的推壓力、無(wú)法填充焊合部分終端殘留銷(xiāo)控等問(wèn)題。 3 2219鋁合金其焊縫析出相2219鋁合金屬于Al-

5、Cu-Mn系可熱處理強(qiáng)化合金，具有良好的高低溫力學(xué)性能，在-250250的溫度范圍內(nèi)具有良好的焊接性、斷裂韌性，以及抗應(yīng)力腐蝕等性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，尤其在燃料貯箱領(lǐng)域中擁有廣闊的應(yīng)用前景。2219鋁合金的主要強(qiáng)化元素有銅、錳、鋯、鈦等，這些元素會(huì)使合金產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化。合金中各元素含量見(jiàn)下表。表1.2219鋁合金中各金屬含量的百分比AlSiFeCuMnMgGrNiVZrZnTi余量0.200.305.8-6.80.20-0.400.02-0.05-0.150.10-0.250.10.02-0.12219鋁合金的主要組成物為相（Al）、相（Al2Cu）、T相（CuMn2Al12）以及少量

6、的TiAl3。2219鋁合金攪拌摩擦焊焊接接頭各區(qū)分別為母材（BM）、熱機(jī)影響區(qū)（TAMZ）、熱影響區(qū)（HAZ）和完全再結(jié)晶的焊核區(qū)（NZ）（圖2）。 圖2 攪拌焊接頭宏觀形貌A-母材 B-熱影響區(qū) C-熱機(jī)影響區(qū) D-焊核在焊接前，母材晶粒細(xì)長(zhǎng)，并在晶界和晶粒間存在大量的強(qiáng)化相。焊接過(guò)程中，焊核區(qū)受到焊接熱循環(huán)和攪拌的雙重作用，形態(tài)發(fā)生明顯的變化。在攪拌摩擦焊的過(guò)程中，攪拌針與工件及攪拌頭肩部之間產(chǎn)生大量的熱量，使周?chē)慕饘偎芑⒘鲃?dòng)，攪拌力的作用下位錯(cuò)密度不斷增加，當(dāng)位錯(cuò)增殖到一定的程度，焊核區(qū)便發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，焊縫組織變?yōu)榈容S再結(jié)晶組織，晶粒均勻細(xì)小。熱機(jī)影響區(qū)受到攪拌針及軸肩的共同作用

7、，在較高溫度的焊接循環(huán)熱的作用下，晶粒發(fā)生了較大的彎曲變形。熱影響區(qū)由于在焊接過(guò)程中沒(méi)有受到攪拌作用，只受到了焊接循環(huán)熱的影響，所以晶粒變得粗大，但依然保留了原母材的特征。 a母材 b熱影響區(qū) c熱機(jī)影響區(qū) d焊核圖3 2219鋁合金摩擦焊接頭個(gè)區(qū)組織形貌由于在接頭各區(qū)域，焊接循環(huán)熱和攪拌力的作用有所不同，接頭析出相在各區(qū)域也呈不同的狀態(tài)。2219鋁合金是以相（Al）為基底，含有許多相（Al2Cu）小顆粒。根據(jù)北京航空航天大學(xué)王春炎等人的研究（圖3），母材晶界和晶界內(nèi)彌散分布這細(xì)小的尺寸在10um以下的析出相。與母材相比，焊核區(qū)沉淀更加細(xì)小，尺寸在4um以下，沉淀尺寸大小不一，這是由于該區(qū)受到

8、的攪拌機(jī)械作用最大，發(fā)生再結(jié)晶的晶粒來(lái)不及長(zhǎng)大就在攪拌力的作用下發(fā)生破碎，形成細(xì)小的等軸晶組織。熱機(jī)影響區(qū)溫度沒(méi)有焊核區(qū)的高，但由于作用時(shí)間長(zhǎng)，經(jīng)攪拌作用及焊接循環(huán)熱，晶粒被明顯拉長(zhǎng)，發(fā)生局部動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，部分沉淀相發(fā)生固溶、析出和長(zhǎng)大。由此可見(jiàn)，攪拌頭的攪拌作用降低了焊核區(qū)和熱機(jī)影響區(qū)的沉淀相尺寸，熱影響區(qū)由于沒(méi)有受到攪拌頭機(jī)械攪拌的作用，故而劇集的顆粒最大，析出相明顯粗化，達(dá)到16um，且未發(fā)生析出相溶解的現(xiàn)象。 4 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及發(fā)展 攪拌摩擦焊技術(shù)最先是由英國(guó)劍橋焊接研究所（TWI）提出的，并于1991年申請(qǐng)了專利。有關(guān)攪拌摩擦焊工藝的特點(diǎn)及應(yīng)用等方面的內(nèi)容，英國(guó)劍橋研究所進(jìn)行了較多

9、的研究，目前其主要與航空航天、海洋、交通、鋁材廠、焊接設(shè)備制造廠等公司聯(lián)合以團(tuán)體贊助與合作的形式開(kāi)發(fā)者這種技術(shù)，以擴(kuò)大其應(yīng)用范圍。美國(guó)的愛(ài)迪生焊接研究所（EWI）與TWI密切合作進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝的研究。美國(guó)的海軍研究所、Dartmouth大學(xué)、德克薩斯大學(xué)，澳大利亞的Adelaide大學(xué)、澳大利亞焊接研究所，德國(guó)的Stuttgurt大學(xué)等等，都從不同的角度對(duì)攪拌摩擦焊進(jìn)行了專門(mén)的研究。隨著焊接技術(shù)的發(fā)展，鋁合金的攪拌摩擦焊已經(jīng)進(jìn)入了商業(yè)化階段。在焊縫的微觀組織方面，也有頗多的研究。Murr L等研究了1100鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，再攪拌速度和焊接速度分別為400r/min和1mm

10、/s的條件下，對(duì)焊后鋁合金板進(jìn)行了顯微組織觀察，結(jié)果表明柱狀晶是攪拌摩擦焊的主要特征組織。Rhodnev C G等研究了7075板攪拌摩擦焊的顯微組織，結(jié)果表明焊縫組織為典型的再結(jié)晶組織，其晶粒尺寸為24um，強(qiáng)化相在焊接過(guò)程中固溶，在隨后的冷卻過(guò)程中形成大量的沉淀強(qiáng)化。攪拌摩擦焊為不能采用熔焊技術(shù)的鋁合金提供了新的焊接方法。國(guó)內(nèi)目前也有許多單位和工作者進(jìn)行了攪拌摩擦焊及其焊縫組織的研究。王希靖對(duì)鋁合金攪拌摩擦焊的影響因素和焊縫性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。季亞娟等對(duì)攪拌摩擦焊工藝及性能進(jìn)行了研究，試驗(yàn)表明工藝參數(shù)選擇較好時(shí)，焊縫表面較光潔，而當(dāng)參數(shù)選擇不當(dāng)是易產(chǎn)生飛邊和溝槽缺陷。王春炎等對(duì)2219-T

11、87鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，對(duì)摩擦焊接頭的微觀形貌、力學(xué)性能、斷裂特征等進(jìn)行了研究和測(cè)試，發(fā)現(xiàn)接頭析出相受到焊接循環(huán)熱和機(jī)械攪拌作用的影響，在接頭各區(qū)域的分布形態(tài)有明顯差異。賀地求等采用30mm鋁合金板對(duì)2219鋁合金厚板攪拌摩擦焊的組織及性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，發(fā)現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)速度為1600r/min、焊接速度為20mm/min時(shí)，可獲得較好的焊縫組織，焊縫的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到285MPA。王煒等則就溫度對(duì)2219鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能的影響進(jìn)行了試驗(yàn)，并得到結(jié)論，2219攪拌摩擦焊接頭具有低溫條件下增強(qiáng)韌性的特點(diǎn)，而且發(fā)現(xiàn)由于焊核動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的原因，接頭的斷口位置一般是前進(jìn)變和后

12、退邊，而非焊縫中心。這些研究對(duì)攪拌摩擦焊的在國(guó)內(nèi)的發(fā)展和應(yīng)用提供了眾多的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。攪拌摩擦焊擁有良好的力學(xué)性能和抗焊接變形能力，且不需要保護(hù)氣體和送絲，無(wú)飛濺、無(wú)煙塵，作為一種環(huán)保的新型連接技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。但由于其研究和應(yīng)用時(shí)間尚短，很多理論還未成熟，因此，在其接頭的冶金性能、力學(xué)性能、微觀機(jī)制、模擬實(shí)驗(yàn)等方面仍有待深入研究。3、 論文的主攻方向、主要內(nèi)容及技術(shù)路線 本篇論文計(jì)劃完成如下任務(wù)： 鋁合金中相對(duì)基體（Al）的強(qiáng)化機(jī)理研究 2219鋁合金中的相為Al2Cu，相為Al，初步估計(jì)攪拌摩擦焊的焊縫中，Al2Cu析出并彌散分布于基體Al中，起到沉淀強(qiáng)化的作用。 對(duì)相的金相及T

13、EM觀察 TEM，即透射電子顯微鏡，分辨率為0.10.2nm，能有效地觀察焊縫析出相的結(jié)構(gòu)，以及估算其尺寸。 對(duì)相在焊接和熱處理過(guò)程中的結(jié)構(gòu)及形貌演化規(guī)律研究 需要對(duì)不同時(shí)期的焊接和熱處理的過(guò)程中的試樣進(jìn)行金相分析，得到其規(guī)律。 各區(qū)顯微硬度測(cè)量 試樣的顯微硬度測(cè)量暫時(shí)決定使用維氏硬度的方法，采用小負(fù)荷測(cè)量。 技術(shù)路線： 比較其他學(xué)者的試樣方法和研究成果，分析其優(yōu)缺點(diǎn)。 對(duì)不同熱處理?xiàng)l件下的2219鋁合金樣本制備多個(gè)試樣。 對(duì)試樣進(jìn)行金相分析并拍照記錄。 對(duì)試樣進(jìn)行透射電鏡（TEM）拍照并記錄（需提前預(yù)約并對(duì)試樣進(jìn)行切割）。 對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)量。 對(duì)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行處理和分析。四、論文工作進(jìn)度安

14、排 1-2周：撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告，提出技術(shù)路線，獲得指導(dǎo)老師同意后進(jìn)入設(shè)計(jì)階段； 3-5周：閱讀相關(guān)參考資料和收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)； 6-12周：進(jìn)行必要的理論推導(dǎo)和數(shù)據(jù)處理，完成實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果； 13-18周：撰寫(xiě)畢業(yè)論文，按相關(guān)規(guī)定打印后提交，完成畢業(yè)論文答辯。5、 論文主要參考文獻(xiàn)1 王春炎.2219-T87鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與力學(xué)性能J.焊接學(xué)報(bào),2010,31(10):77-842 羅傳紅. 高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊接頭性能分析J.重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 28(10): 38-413 彭杏娜， 曲文卿， 張國(guó)華.焊接方法對(duì)2219鋁合金性能及組織的影響J. 航空材料學(xué)報(bào).200

15、9,4（2）: 57-604 賀地求，鄧航，周鵬展.2219厚板攪拌摩擦焊組織及性能分析J.焊接學(xué)報(bào)， 2007,28（9）: 13-165 陳迎春，劉會(huì)杰，馮吉才.2219-0鋁合金的攪拌摩擦焊J.焊接學(xué)報(bào)，2006,26（1）： 65-686 胡偉葉.高強(qiáng)鋁合金攪拌摩擦焊縫“白斑”形成機(jī)理分析.理化檢驗(yàn)：物理分冊(cè). 2013,49 :529-5347 季亞娟，蔣成禹，嚴(yán)鏗.鋁合金攪拌摩擦焊工藝及性能的研究J.華東船舶工業(yè)學(xué) 院學(xué)報(bào)，2004,18（1）：68-718 欒國(guó)紅，郭德倫，張?zhí)飩}(cāng)，孫成彬.鋁合金的攪拌摩擦焊J.焊接技術(shù),2003,32（1）： 1-48 NarayanaG V. Fracture behavior of aluminum alloy 2219-T87 welded pl