鋁合金攪拌摩擦焊（課堂PPT）

1、201516061-T6鋁合金鋁合金FSW焊縫焊縫性能研究性能研究2目錄目錄u一、背景介紹一、背景介紹u二、工藝過程二、工藝過程u三、焊縫性能分析三、焊縫性能分析u四、焊縫失效原因四、焊縫失效原因u五、解決方案五、解決方案3攪拌摩擦焊（攪拌摩擦焊（FSWFSW）攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接技術(shù)。攪拌攪拌摩擦焊是一種固態(tài)連接技術(shù)。攪拌針逐漸插入待焊工件中針逐漸插入待焊工件中, ,攪拌頭與軸攪拌頭與軸肩與待焊工件由于摩擦剪切阻力產(chǎn)生肩與待焊工件由于摩擦剪切阻力產(chǎn)生一定的摩擦熱一定的摩擦熱, ,這個摩擦熱使待焊工這個摩擦熱使待焊工件鄰近區(qū)域金屬微粒達到熱塑性狀態(tài)件鄰近區(qū)域金屬微粒達到熱塑性狀態(tài), ,然后

2、再隨著攪拌頭向前的移動然后再隨著攪拌頭向前的移動, ,由于由于攪拌頭對熱塑性狀態(tài)的金屬微粒的攪攪拌頭對熱塑性狀態(tài)的金屬微粒的攪拌作用拌作用, ,前進側(cè)金屬微粒隨著攪拌頭前進側(cè)金屬微粒隨著攪拌頭一起旋轉(zhuǎn)流入返回側(cè)一起旋轉(zhuǎn)流入返回側(cè), ,并沉積下來，并沉積下來，返回側(cè)金屬微粒不隨攪拌頭一起流動返回側(cè)金屬微粒不隨攪拌頭一起流動, ,在流動金屬與母材的擠壓作用下進入在流動金屬與母材的擠壓作用下進入前進側(cè)前進側(cè), ,實現(xiàn)待焊工件的固相連接。實現(xiàn)待焊工件的固相連接。 4鋁合金焊接性鋁合金焊接性: :1、焊接變形、焊接變形2 2、焊接裂紋問題、焊接裂紋問題 3 3、焊接接頭軟化、焊接接頭軟化4 4、氣孔、氣

3、孔 與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有接頭宏觀形與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有接頭宏觀形貌良好、焊后殘余應(yīng)力和變形較小、焊縫性能良好；焊接貌良好、焊后殘余應(yīng)力和變形較小、焊縫性能良好；焊接時無煙塵、無輻射；焊接過程中不需焊絲填充、不需氣體時無煙塵、無輻射；焊接過程中不需焊絲填充、不需氣體保護，比較節(jié)省成本，最大程度上緩解了因熱輸入過大導(dǎo)保護，比較節(jié)省成本，最大程度上緩解了因熱輸入過大導(dǎo)致的鋁合金焊接接頭發(fā)生的致的鋁合金焊接接頭發(fā)生的“軟化軟化”及裂紋、氣孔等嚴(yán)重及裂紋、氣孔等嚴(yán)重缺陷，因此攪拌摩擦焊特別適合于鋁合金的連接。缺陷，因此攪拌摩擦焊特別適合于鋁合金的連接。56061-T6

4、6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊鋁合金攪拌摩擦焊 6061-T66061-T6鋁合金為鋁合金為Al-Mg-SiAl-Mg-Si系熱處理可強化鋁合金系熱處理可強化鋁合金, ,具有具有中等強度、良好的塑韌性、良好的耐蝕性、可焊性和擠壓中等強度、良好的塑韌性、良好的耐蝕性、可焊性和擠壓性能好等優(yōu)點性能好等優(yōu)點, ,廣泛用于要求有一定強度和抗腐蝕性高的廣泛用于要求有一定強度和抗腐蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件, ,在鐵道車輛方面在鐵道車輛方面, ,主要用于制造車體側(cè)墻主要用于制造車體側(cè)墻和壁板以及對焊接性能要求較高的零部件和壁板以及對焊接性能要求較高的零部件, ,因此需要用攪因此需要用攪拌摩擦焊來

5、提高其焊接接頭的性能。拌摩擦焊來提高其焊接接頭的性能。6061-T6鋁合金化學(xué)成分（Wt%）6061-T6鋁合金力學(xué)性能6時效原理：時效原理：u鋁合金剛淬火后，強度與硬度并不立即升高，至于塑性非鋁合金剛淬火后，強度與硬度并不立即升高，至于塑性非但沒有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置但沒有下降，反而有所上升。但這種淬火后的合金，放置一段時間（如一段時間（如4 4 6 6晝夜后），強度和硬度會顯著提高，而晝夜后），強度和硬度會顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時間增長塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強度、硬度隨時間增長而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效。時效可以在常溫下發(fā)生，

6、而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時效。時效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如稱自然時效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100100 200200）內(nèi)發(fā)生，稱人工時效。）內(nèi)發(fā)生，稱人工時效。7時效原理：時效原理：u合金元素在鋁中有較大固溶度且隨溫度降低急劇減小合金元素在鋁中有較大固溶度且隨溫度降低急劇減小, ,通通過在水中淬火過在水中淬火, ,可以得到過飽和鋁基固溶體可以得到過飽和鋁基固溶體u時效時效強強化是化是通過通過第二相的沉淀析出第二相的沉淀析出來實現(xiàn)的。來實現(xiàn)的。M Mg g2 2SiSi相是相是AlAl- -MgMg-S-Si i系合金的主要強化相系合金的主要強

7、化相, ,它的尺寸和形狀對合金性它的尺寸和形狀對合金性能影響很大。能影響很大。u在淬火時，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被在淬火時，由于冷卻快，這些空位來不及移出，便被“固固定定”在晶體內(nèi)。這些在過飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)在晶體內(nèi)。這些在過飽和固溶體內(nèi)的空位大多與溶質(zhì)原子結(jié)合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必原子結(jié)合在一起。由于過飽和固溶體處于不穩(wěn)定狀態(tài)，必然向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴散然向平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)變，空位的存在，加速了溶質(zhì)原子的擴散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。8u鋁合金根據(jù)主要合金元素的不同可以分成鋁合金根據(jù)主要合金元

8、素的不同可以分成8 8個系別，其中個系別，其中只有只有1 1系、系、2 2系、系、6 6系、系、7 7系可以通過熱處理方式來進行強化。系可以通過熱處理方式來進行強化。u對于可熱處理的鋁合金則有自然時效和人工時效兩種方式，對于可熱處理的鋁合金則有自然時效和人工時效兩種方式，根據(jù)時效方式和效果的不同又分成了根據(jù)時效方式和效果的不同又分成了7 7個等級，用個等級，用T1T7T1T7表表示，其中示，其中T4T4和和T6T6最為常見最為常見。u鋁合金鋁合金T6T6處理是固溶處理加人工時效處理，不同成分的鋁處理是固溶處理加人工時效處理，不同成分的鋁合金只要熱處理是固溶處理加人工時效處理就可以稱為合金只要熱

9、處理是固溶處理加人工時效處理就可以稱為T6T6處理，表明其熱處理狀態(tài)處理，表明其熱處理狀態(tài)。鋁合金鑄件鋁合金鑄件T6T6熱處理工藝程序：熱處理工藝程序：加熱加熱- -保溫保溫- -淬火淬火- -時效時效。9材料及設(shè)備材料及設(shè)備試樣材料：試樣材料：6061-T6鋁合金鋁合金（T6- -固溶熱處理后進行人固溶熱處理后進行人工時效的狀態(tài)）工時效的狀態(tài)）試樣尺寸：試樣尺寸：300*150*6mm設(shè)備：大型懸臂式數(shù)控攪拌摩設(shè)備：大型懸臂式數(shù)控攪拌摩擦焊設(shè)備擦焊設(shè)備攪拌頭尺寸：軸肩直徑攪拌頭尺寸：軸肩直徑18mm, ,攪 拌 針 直 徑攪 拌 針 直 徑 4 m m , , 長 度長 度5.75mm, ,

10、傾斜角度為傾斜角度為2，攪攪拌頭采用螺紋結(jié)構(gòu)。拌頭采用螺紋結(jié)構(gòu)。10具體步驟具體步驟1 1、將鋁合金進行清洗去除表面的油污，進行裝夾、將鋁合金進行清洗去除表面的油污，進行裝夾2 2、設(shè)置攪拌針轉(zhuǎn)速、焊速及下壓量等參數(shù)，進行焊接、設(shè)置攪拌針轉(zhuǎn)速、焊速及下壓量等參數(shù)，進行焊接3 3、在焊好的試件上切片，制備試樣、在焊好的試件上切片，制備試樣4 4、觀察金相組織及測試力學(xué)性能、觀察金相組織及測試力學(xué)性能11 焊縫截面金相組織焊縫截面金相組織a a）母材）母材 b b）焊核區(qū)）焊核區(qū) c c）熱機械影響區(qū)）熱機械影響區(qū) d d）熱影響區(qū)）熱影響區(qū)abcd12u拉伸性能拉伸性能 當(dāng)當(dāng)FSW FSW 接頭

11、受拉伸載荷時，接頭的斷裂位置多數(shù)出現(xiàn)在后接頭受拉伸載荷時，接頭的斷裂位置多數(shù)出現(xiàn)在后退側(cè)熱影響區(qū)，如圖所示，而不是出現(xiàn)在焊核區(qū)。退側(cè)熱影響區(qū)，如圖所示，而不是出現(xiàn)在焊核區(qū)。FSWFSW焊后試樣拉伸測試焊后試樣拉伸測試斷口形貌斷口形貌13u顯微硬度測試顯微硬度測試14四、原因分析四、原因分析1 1、殘余應(yīng)力的存在、殘余應(yīng)力的存在2 2、強化相的溶解、強化相的溶解15四、原因分析四、原因分析1 1、殘余應(yīng)力、殘余應(yīng)力根本原因:焊接過程的加熱和冷卻受到周圍冷金屬的拘束，不能自由膨脹和收縮?？v向殘余應(yīng)力x的分布16四、原因分析四、原因分析殘余應(yīng)力對焊件的影響殘余應(yīng)力對焊件的影響1 1、對焊件強度的影響

12、。如果存在過大、對焊件強度的影響。如果存在過大的焊接殘余應(yīng)力的焊接殘余應(yīng)力, ,則將使焊件的靜載強則將使焊件的靜載強度降低當(dāng)焊件受到循環(huán)應(yīng)力作用度降低當(dāng)焊件受到循環(huán)應(yīng)力作用, ,如果如果焊接殘余應(yīng)力存在于應(yīng)力集中處焊接殘余應(yīng)力存在于應(yīng)力集中處, ,則將則將使焊件的疲勞強度降低。使焊件的疲勞強度降低。2 2、對焊件剛度的影響。如果焊接殘余、對焊件剛度的影響。如果焊接殘余應(yīng)力與焊件所受外載應(yīng)力相疊加應(yīng)力與焊件所受外載應(yīng)力相疊加, ,則可則可能導(dǎo)焊件局部應(yīng)力超過屈服極限能導(dǎo)焊件局部應(yīng)力超過屈服極限, ,出現(xiàn)出現(xiàn)局部塑性變形局部塑性變形, ,降低焊件的剛度。降低焊件的剛度。4 4、對耐腐蝕性的影響。可

13、能會出現(xiàn)疲、對耐腐蝕性的影響?？赡軙霈F(xiàn)疲勞腐蝕開裂。勞腐蝕開裂。17四、原因分析四、原因分析2 2、強化相溶解、強化相溶解u熱影響區(qū)熱影響區(qū): :溫度不足以使沉淀相溶解，沉淀相發(fā)生粗溫度不足以使沉淀相溶解，沉淀相發(fā)生粗化?；熱機械影響區(qū)：溫度達到固溶溫度，部分沉淀相粗化，熱機械影響區(qū)：溫度達到固溶溫度，部分沉淀相粗化，部分溶解，在后續(xù)的冷卻過程中有少量細(xì)小沉淀析出部分溶解，在后續(xù)的冷卻過程中有少量細(xì)小沉淀析出中心中心u焊核區(qū)：沉淀相完全溶解，焊核區(qū)：沉淀相完全溶解， 冷卻過程中，沉淀相優(yōu)冷卻過程中，沉淀相優(yōu)先在位錯和晶界處析出，分布不均勻先在位錯和晶界處析出，分布不均勻18五、解決方案五

14、、解決方案u焊縫后續(xù)熱處理焊縫后續(xù)熱處理u 一一 350370350370保溫保溫3030到到120min 120min 去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火u 二二 固溶處理固溶處理 ：加熱到：加熱到490505490505， 然后水冷。然后水冷。u 三三 時效時效 ： u1 1自然時效自然時效 室溫放置室溫放置96h96h，u2 2人工時效人工時效185195185195保溫保溫 612612小時，空冷小時，空冷19u分級時效：分級時效： 第一步：第一步：100130100130保溫保溫1-4h, 1-4h, 形成形成GPGP區(qū)區(qū) 第二步：第二步：185195185195時效時效8-9h8-9h，析出沉淀相，析出沉淀相u分級時效的優(yōu)點：分級時效的優(yōu)點：先在一個較低的溫度獲得先在一個較低的溫度獲得 高濃度高濃度G.P.G.P.區(qū)，然后再較高的溫區(qū)，然后再較高的溫度下獲得度下獲得 均勻的沉淀相，均勻的沉淀相， 提高組織的均勻性。提高組織的均勻