铝/钢连续驱动摩擦焊锥形接头形式下力学性能及组织研究

来源 :兰州理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lh305879918
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铝/钢复合结构充分发挥了铝及铝合金轻量化特征和高强钢在强度、成本方面的优势,因此已经在汽车、海洋、航天航空以及化工等众多领域得到应用。相比于任何熔焊方法,连续驱动摩擦焊(CDFW)作为一种固相连接技术用以焊接具有回转界面的异种金属存在其独特优势。然而目前为止,摩擦界面组织的不均匀性及接头力学性能的差异是制约铝/钢连续驱动摩擦焊复合连接的关键问题。本文对纯铝1060/Q235低碳钢的连续驱动摩擦焊接头的性能和组织进行了研究,通过正交试验确定工艺参数对接头力学性能的影响程度,通过单因素变量实验分析了不同工艺参数对接头力学性能与组织的影响。结果表明:转速1500 r/min、摩擦压力30 MPa、摩擦时间1 s、顶锻压力80 MPa、顶锻时间1 s、“先顶后刹”机制下的接头具有最优的综合力学性能,其中顶锻压力对接头抗拉强度的影响最大。接头断裂方式为准解理断裂+塑性断裂的混合断裂模式,切片试样拉伸断口存在“弧形”的撕裂薄弱形貌,为两种不同力学性能区域断裂形貌分界线。为了进一步改善摩擦界面组织的不均匀性,对外置5°、10°、15°、20°、25°的5种锥形Q235低碳钢棒与1060铝棒组对,开展连续驱动摩擦焊对接实验,并采集了焊接过程界面中心、1/3R、2/3R处温度。焊后对接头进行了拉伸试验、断口分析及接头界面的组织分析。结果表明:接头预置锥度将改变旋转摩擦半径方向的界面热力循环,影响组织和接头性能。随着锥形倾斜角的增大,接头整体温度呈下降趋势,最高峰值温度区域由2/3R转移到1/3R。在工艺参数相同的条件下,由于摩擦产热的降低和切向应力的增加,锥形端面倾斜角增加使得接头摩擦界面深塑区由外向内移动,且深塑区宽度变窄。在一定的工艺条件下,合理的锥形可改善接头界面径向金属间化合物(IMCs)均匀化。本实验中15°倾斜角接头的IMCs层厚度沿半径变化梯度最小,平均厚度约为0.85μm,平均拉伸强度达到最大值77.5 MPa,为母材1060纯铝的96%。同时发现同一处IMCs层由几种不同化合物相间分布组成,其中Fe Al靠近钢侧,Fe2Al5靠近铝侧,Fe Al2位于两者之间。为了进一步对铝/钢连续驱动摩擦焊的应用进行扩展,为增强接头强韧化提供思路和方法,开展了两个周期(30 d/60 d)热电耦合试验(静载40 kg+高温300℃+直流60 A),获得了不同时间下焊接界面组织和结构的演变行为,研究了热电耦合作用对组织变化与结合强度的影响规律,通过断口观察分析了界面不同位置的失效行为。原始态接头界面径向IMCs层厚度不均匀,中心区域无明显IMCs生成。热电耦合30天后界面中心生成宽度为0.3~0.5μm、以颗粒状由钢侧向铝侧弥散分布的IMCs层,整体拉伸断裂在铝母材的热力影响区。热电耦合60天后IMCs层与钢侧之间出现腐蚀沟槽,IMCs破碎,钢侧无裂纹产生,铝侧形成大量由IMCs层向铝母材内部扩展的裂纹和空洞,焊缝及裂纹尖端处成分偏析,整体拉伸断裂在焊缝处。界面腐蚀和裂纹扩展的速度与界面IMCs层的厚度成正比,即?(center)<?(1/2R)<?(2/3R)。由于原始态接头界面组织不均匀以及热电耦合试验过程中界面不同位置组织生长效率的差异,使得热电耦合后接头在界面2/3R位置出现不断裂形貌的分界线,2/3R内侧以准解理断裂方式为主,2/3R外侧为韧窝断裂和准解理断裂的综合结果。
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