6061-T6鋁合金FSW焊縫性能研究

1、6061-T6鋁合金FSW焊縫性能研究目錄一、背景介紹二、工藝過程三、焊縫性能分析四、焊縫失效原因五、解決方案一、背景介紹攪拌摩擦焊（FSW）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,攪拌頭與軸肩與待焊工件由于摩擦剪切阻力產(chǎn)生一定的摩擦熱,這個(gè)摩擦熱使待焊工件鄰近區(qū)域金屬微粒達(dá)到熱塑性狀態(tài),然后再隨著攪拌頭向前的移動(dòng),由于攪拌頭對(duì)熱塑性狀態(tài)的金屬微粒的攪拌作用,前進(jìn)側(cè)金屬微粒隨著攪拌頭一起旋轉(zhuǎn)流入返回側(cè),并沉積下來(lái)，返回側(cè)金屬微粒不隨攪拌頭一起流動(dòng),在流動(dòng)金屬與母材的擠壓作用下進(jìn)入前進(jìn)側(cè),實(shí)現(xiàn)待焊工件的固相連接。一、背景介紹鋁合金焊接性:1、焊接變形2、焊接裂紋問題 3、焊接接頭

2、軟化4、氣孔 與傳統(tǒng)熔化焊接方法相比，攪拌摩擦焊具有接頭宏觀形貌良好、焊后殘余應(yīng)力和變形較小、焊縫性能良好；焊接時(shí)無(wú)煙塵、無(wú)輻射；焊接過程中不需焊絲填充、不需氣體保護(hù)，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“軟化”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。一、背景介紹6061-T6鋁合金攪拌摩擦焊 6061-T6鋁合金為Al-Mg-Si系熱處理可強(qiáng)化鋁合金,具有中等強(qiáng)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(diǎn),廣泛用于要求有一定強(qiáng)度和抗腐蝕性高的各種工業(yè)結(jié)構(gòu)件,在鐵道車輛方面,主要用于制造車體側(cè)墻和壁板以及對(duì)焊接性能要求較高的零部

3、件,因此需要用攪拌摩擦焊來(lái)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)性能一、背景介紹時(shí)效原理：鋁合金剛淬火后，強(qiáng)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，放置一段時(shí)間（如46晝夜后），強(qiáng)度和硬度會(huì)顯著提高，而塑性則明顯降低。淬火后鋁合金的強(qiáng)度、硬度隨時(shí)間增長(zhǎng)而顯著提高的現(xiàn)象，稱為時(shí)效。時(shí)效可以在常溫下發(fā)生，稱自然時(shí)效，也可以在高于室溫的某一溫度范圍（如100200）內(nèi)發(fā)生，稱人工時(shí)效。一、背景介紹時(shí)效原理：合金元素在鋁中有較大固溶度且隨溫度降低急劇減小,通過在水中淬火,可以得到過飽和鋁基固溶體時(shí)效強(qiáng)化是通過第二相的沉

4、淀析出來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Mg2Si相是Al-Mg-Si系合金的主要強(qiáng)化相,它的尺寸和形狀對(duì)合金性能影響很大。在淬火時(shí)，由于冷卻快，這些空位來(lái)不及移出，便被“固定”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)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(kuò)散速度，因而加速了溶質(zhì)原子的偏聚。一、背景介紹鋁合金根據(jù)主要合金元素的不同可以分成8個(gè)系別，其中只有1系、2系、6系、7系可以通過熱處理方式來(lái)進(jìn)行強(qiáng)化。對(duì)于可熱處理的鋁合金則有自然時(shí)效和人工時(shí)效兩種方式，根據(jù)時(shí)效方式和效果的不同又分成了7個(gè)等級(jí)，用T1T7表示，其中T4和T6最為常見。鋁合金T6處理是

5、固溶處理加人工時(shí)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(shí)效處理就可以稱為T6處理，表明其熱處理狀態(tài)。鋁合金鑄件T6熱處理工藝程序：加熱-保溫-淬火-時(shí)效。二、工藝過程材料及設(shè)備試樣材料：6061-T6鋁合金（T6-固溶熱處理后進(jìn)行人工時(shí)效的狀態(tài)）試樣尺寸：300*150*6mm設(shè)備：大型懸臂式數(shù)控?cái)嚢枘Σ梁冈O(shè)備攪拌頭尺寸：軸肩直徑18mm,攪拌針直徑4mm,長(zhǎng)度5.75mm,傾斜角度為2，攪拌頭采用螺紋結(jié)構(gòu)。二、工藝過程具體步驟1、將鋁合金進(jìn)行清洗去除表面的油污，進(jìn)行裝夾2、設(shè)置攪拌針轉(zhuǎn)速、焊速及下壓量等參數(shù)，進(jìn)行焊接3、在焊好的試件上切片，制備試樣4、觀察金相組織及測(cè)試力學(xué)性能三

6、、焊縫性能檢測(cè) 焊縫截面金相組織a）母材 b）焊核區(qū) c）熱機(jī)械影響區(qū) d）熱影響區(qū)abcd三、焊縫性能檢測(cè)拉伸性能 當(dāng)FSW 接頭受拉伸載荷時(shí)，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)。FSW焊后試樣拉伸測(cè)試斷口形貌三、焊縫性能檢測(cè)顯微硬度測(cè)試四、原因分析1、殘余應(yīng)力的存在2、強(qiáng)化相的溶解四、原因分析1、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。縱向殘余應(yīng)力x的分布四、原因分析殘余應(yīng)力對(duì)焊件的影響1、對(duì)焊件強(qiáng)度的影響。如果存在過大的焊接殘余應(yīng)力,則將使焊件的靜載強(qiáng)度降低當(dāng)焊件受到循環(huán)應(yīng)力作用,如果焊接殘余應(yīng)力存在于應(yīng)力集中處,

7、則將使焊件的疲勞強(qiáng)度降低。2、對(duì)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,則可能導(dǎo)焊件局部應(yīng)力超過屈服極限,出現(xiàn)局部塑性變形,降低焊件的剛度。4、對(duì)耐腐蝕性的影響?？赡軙?huì)出現(xiàn)疲勞腐蝕開裂。四、原因分析2、強(qiáng)化相溶解熱影響區(qū):溫度不足以使沉淀相溶解，沉淀相發(fā)生粗化。熱機(jī)械影響區(qū)：溫度達(dá)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)小沉淀析出中心焊核區(qū)：沉淀相完全溶解， 冷卻過程中，沉淀相優(yōu)先在位錯(cuò)和晶界處析出，分布不均勻五、解決方案焊縫后續(xù)熱處理 一 350370保溫30到120min 去應(yīng)力退火 二 固溶處理 ：加熱到490505， 然后水冷。 三 時(shí)效 ： 1自然時(shí)效 室溫放置96h，2人工時(shí)效185195保溫 612小時(shí)，