1-汽車輕量化用材料連接技術(shù)研究.ppt

1、1,汽車輕量化用材料連接技術(shù),2009年6月4日,報告人：王快社,2,汽車輕量化用材發(fā)展趨勢,3,汽車輕量化意義,汽車輕量化的技術(shù)內(nèi)涵是:采用現(xiàn)代設(shè)計方法和有效手段對汽車產(chǎn)品進行優(yōu)化設(shè)計,或使用新材料在確保汽車綜合性能指標的前提下,盡可能降低汽車產(chǎn)品自身重量,以達到減重,降耗,環(huán)保,安全的綜合指標。,據(jù)統(tǒng)計,汽車重量降低10%，燃油效率可提高6%8%； 輕量化帶來的突出優(yōu)點就是油耗顯著降低。輕量化還會帶來車輛操控穩(wěn)定性和沖撞安全性的提升。,4,汽車輕量化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀,汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料使用兩大方面,主要表現(xiàn)在： 輕質(zhì)材料的比重不斷攀升, 鋁合金、鎂合金、鈦合金、

2、高強度鋼、塑料、生態(tài)復合材料及陶瓷等的應用越來越多; 結(jié)構(gòu)優(yōu)化和零部件的模塊化設(shè)計水平不斷提高,如采用前輪驅(qū)動、高剛性結(jié)構(gòu)和超輕懸架結(jié)構(gòu)等來達到輕量化的目的,計算機輔助集成技術(shù)(CAX)和結(jié)構(gòu)分析等技術(shù)也有所發(fā)展; 汽車輕量化促使汽車制造業(yè)在成形方法和聯(lián)接技術(shù)上不斷創(chuàng)新。,5,汽車輕量化用材料,高強度鋼,高強度鋼是汽車用材料主要發(fā)展方向之一。有高強度鋼(屈服強度 210MPa)、超高強度鋼(屈服強度550MPa)和先進高強度鋼。 目前汽車使用的高強度鋼主要為板材與管材，取代普鋼、鑄鐵用于車身零件和其它結(jié)構(gòu)件。 高強度鋼主要在汽車車身、底盤、懸架和轉(zhuǎn)向系零件上有廣泛應用。,6,鋁合金,鋁合金具有

3、比強度高、耐腐蝕性能優(yōu)良、適合多種成形方法、較易再生利用等優(yōu)點，是汽車工業(yè)應用較多的金屬材料。 隨著快速凝固鋁合金、粉末冶金鋁合金、超塑性鋁合金、鋁基復合材料和泡沫鋁材等新材料的開發(fā)與應用，未來鋁在汽車中的應用范圍將進一步擴大，并將呈現(xiàn)鑄件、型材、板材并舉的局面。預計鋁將會成為僅次于鋼的第二大汽車材料。,7,鎂合金,鎂是比鋁更輕的金屬材料,具有比強度高，熱傳導性好，對振動、沖擊的吸收性能好等特點。它可在應用鋁輕量的基礎(chǔ)上再減輕15%20%。 鑄造鎂合金主要用于車身和底盤零件，如儀表盤骨架與橫梁、座椅骨架、轉(zhuǎn)向盤、進氣歧管,以及各種支架、罩蓋等。 變形鎂合金主要用于車身組件（車門、行李廂、發(fā)動機

4、罩等）的外板、車門窗框架、座椅框架、底盤框架、車身框架等。,8,鈦及鈦合金具有密度小、質(zhì)量輕、比強度高、耐高溫、耐腐蝕、低溫韌性好等特點，主要用于汽車結(jié)構(gòu)鍛件和緊固件等。 近年來隨著鈦冶煉和加工技術(shù)的不斷進步，價格的降低，作為汽車用材將會有更快發(fā)展。,鈦合金,9,汽車用塑料主要是通用工程塑料、塑料合金和增強塑料。在汽車中最早用于儀表板、車門內(nèi)板、頂棚、副儀表板、雜物箱蓋、座椅及各類護板等內(nèi)裝件，而后逐漸向外裝件、結(jié)構(gòu)件和功能件擴展,如車身外板、后阻流板等。 今后的發(fā)展方向是開發(fā)結(jié)構(gòu)件、功能件、外裝件用的高性能樹脂材料、增強塑料復合材料、塑料共混物與塑料合金。,塑料及非金屬基復合材料,10,圖1

5、,11,圖2,12,輕質(zhì)高強材料連接技術(shù)研究,13,常用連接方法及存在問題,常用的連接方法： （1）接觸焊 （2）鎢極氬弧焊 （3）熔化極氬弧焊 （4）激光焊接,存在問題：屬于熔化焊接技術(shù)，焊接接頭組織、成分偏析大，強度較低，塑性較差，存在熱裂紋、夾雜等缺陷，焊接接頭的殘余應力較大，焊接工藝比較復雜，表面清理困難。,14,攪拌摩擦焊接（Friction stir Welding，簡稱 FSW）是基于摩擦連接技術(shù)新近開發(fā)的一種固相 連接技術(shù)，最先由英國焊接研究所在1991年發(fā)明。,攪拌摩擦焊接簡介,15,攪拌摩擦焊的特點 固相連接 焊前處理簡單 不需要保護氣和填充材料 焊接變形小 接頭性能優(yōu)異,

6、焊縫中無氣孔缺陷 無合金元素燒損 無熱裂紋 無凝固時元素和組織的偏析 接頭顯微組織各向同性,不需開坡口和特殊清理 可以直接對剪裁板件進行焊接 對氧化物不敏感（如陽極化層） 焊件表面污物處理要求一般,可在非浸蝕性環(huán)境中工作（如水下焊接） 無需保護氣體，也可獲得良好的接頭性能和焊縫外觀 無需填充材料,焊接過程沒有凝固收縮 與熔焊比，攪拌摩擦焊變形很小,接頭靜態(tài)性能超過熔焊接頭 攪拌摩擦焊接頭性能數(shù)據(jù)分散性小 與熔焊接頭相比，攪拌摩擦焊接頭具有優(yōu)異的抗疲勞性能 對某些材料，焊縫的斷裂韌性超過母材,16,攪拌摩擦焊的應用 航空、航天 汽車、車輛工業(yè) 船舶和海洋工業(yè) 電子行業(yè) 其他工業(yè),運載火箭燃料貯箱

7、、發(fā)動機承力框架、鋁合金容器、航天飛機外貯箱、載人返回倉等 飛機蒙皮、衍條、加強件之間連接、框架連接、飛機壁板和地板連接、飛機門預成形結(jié)構(gòu)件、起落架倉蓋、外掛燃料箱,高速列車、軌道貨車、地鐵車廂、輕軌電車。 汽車發(fā)動機引擎、汽車底盤支架、汽車輪鼓、車門預成形件、車體框架、升降平臺、燃料箱、逃生工具等,快艇、游船等的甲板、側(cè)板、防水隔板、船體外殼、主體結(jié)構(gòu)件、直升機平臺、離岸水上觀測站、船用冷凍器、帆船桅桿和結(jié)構(gòu)件,筆記本、手機等電子產(chǎn)品外殼 發(fā)動機殼體、冰箱冷卻板、電器分封裝、天然氣、液化氣貯箱、輕合金容器、家庭裝飾制品等,17,課題組工作介紹,18,鋁及鋁合金的攪拌摩擦焊接,成功實現(xiàn)8mm厚

8、7075-T7351鋁合金的攪拌摩擦焊,最佳工藝參數(shù)為:攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1180r/min、焊接速度為375 mm/min;抗拉強度達到390MPa,是母材強度的78%。,（a）焊件上表面,（b）焊件下表面,7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭表面形貌,表面形貌,19,7075-T7351鋁合金攪拌摩擦焊接頭微觀組織為典型攪拌摩擦焊接頭組織,分為焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)及母材區(qū)。,連接接頭各部位金相組織,20,7075鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度,7075-T7351鋁合金攪拌摩擦焊接頭顯微硬度值分布趨勢沿焊縫中心兩側(cè)基本對稱,TMAZ/HAZ過渡區(qū)及焊核區(qū)硬度低于母材,是焊件的薄弱環(huán)節(jié)。,顯微硬

9、度,21,鎂及鎂合金的攪拌摩擦焊接,表面形貌,R=1500r/min,=90mm/min,F=1470N,R=1200r/min,=100mm/min,F=800N,R=1500r/min,=90mm/min,F=1800N,R=1000r/min,=180mm/min,F=1470N,焊縫表面形態(tài),22,連接接頭各部位金相組織,全焊縫200,焊核區(qū)300,熱-機影響區(qū)300,熱影響區(qū)300,23,接頭焊核區(qū)等軸再結(jié)晶組織的形成機制,24,攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時的工件表面預處理比熔焊時對表面預處理的要求簡單方便，從而節(jié)省了勞動力和勞動時間。 攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時，連接工藝參數(shù)選擇

10、不同，焊縫表面形態(tài)及反面成形情況不同，并可以此為依據(jù)判斷連接質(zhì)量。 采用攪拌摩擦連接MB3鎂合金板時，如連接工藝參數(shù)選擇不合理會出現(xiàn)：焊縫表面溝槽、孔形通道、焊縫金屬熔化或縮孔。 焊核區(qū)晶粒細化是原因可能是：連接時焊核區(qū)金屬發(fā)生了較大的應變，可能有細晶沉淀相出現(xiàn)，從而抑制晶粒長大。,25,鈦及鈦合金的攪拌摩擦焊接,焊縫表面形貌,鈦合金熔點較高，且熱強度高，與同規(guī)格其他有色金屬相比，鈦合金的攪拌摩擦焊接工藝規(guī)范偏小。,TC4鈦合金攪拌摩擦焊接頭形貌,26,由于鈦合金焊接過程中會產(chǎn)生馬氏體亞穩(wěn)相，其組織形貌為針狀組織。冷卻過程中馬氏體亞穩(wěn)相發(fā)生分解，部分相中直接析出相，在相界及內(nèi)部孿晶界面上下均勻

11、形核，基體發(fā)生再結(jié)晶，從而消除的針狀組織形態(tài)，形成了典型的等軸晶狀組織。,TC4攪拌摩擦焊焊合區(qū)低倍組織,TC4攪拌摩擦焊焊合區(qū)組織,接頭組織,27,。,TC4焊縫組織,TC4常規(guī)鍛造組織,過渡區(qū)組織,28,鋁、鎂異種材料攪拌摩擦焊接,攪拌頭相對接頭中心的位置,29,焊縫表面形貌,（a）焊縫上表面 （b）焊縫下表面 偏移前的焊縫表面形貌,（a）焊縫上表面 （b）焊縫下表面 圖4-3 偏移后的焊縫表面形貌,（a）焊縫上表面 （b）焊縫下表面 偏移后的焊縫表面形貌,注：連接工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)速1500r/min，連接速度為90mm/min,30,焊接接頭的橫截面宏觀和微觀組織,接頭橫截面宏觀形貌,31,（ c）1060鋁母材（d）1060鋁側(cè)熱機影響區(qū)域（e）（f）材料的流動形貌（g）焊核區(qū)域（h）MB3鎂合金母材,32,抗拉強度與顯微硬度分布,接頭的顯微硬度,攪拌頭轉(zhuǎn)速1500r/min，焊接速度為60-120mm/min。