本科生毕业答辩课件

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1、搅拌针螺纹形状对焊缝金属成形的影响导师:柯黎明教授答辩人:卢甜专业:焊接技术与工程论文框架引言试验的材料、设备试验方法、结果及分析结论1234引言1.1选题依据及意义搅拌摩擦焊是英国焊接研究所发明的一种新兴的固态连接方法。与弧焊、激光焊、电子束、钎焊和扩散连接等传统焊接方法相比，搅拌摩擦焊具有焊接温度低、接头残余应力小、焊接工件变形小等优点。1.2国内外研究概况及发展现状1.2.1搅拌摩擦焊搅拌摩擦焊(FSW)技术十年前发明于TWI,是一项创新的先进摩擦焊技术，是一项高效、低耗、低成本、环保的固相连接新技术。

2、1.2.2搅拌头对搅拌摩擦焊的影响搅拌头是搅拌摩擦焊的关键，主要由轴肩和搅拌针两部分构成，其几何形貌和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响焊接过程中搅拌头附近塑性软化材料的流动形式。1.2.3焊缝方向对搅拌摩擦焊的影响1.2.4材料的选择对搅拌摩擦焊的影响1.2.5国内外有关搅拌摩擦焊的各项研究试验的材料、设备2.1试验材料及设备2.1.1试验材料2024铝合金是典型的高强度铝合金，由于塑性成型和机械加工性能良好,在航空航天工业上，对需要很高的有效抗拉强度和疲劳强度的机翼和机身结构的应用上越来越广泛。因

3、此选用2024铝作为试验材料。本次试验所选材料是厚10mm的2024铝合金。2.1.2试验设备本实验所用焊机为龙门式搅拌摩擦焊机龙门式搅拌摩擦焊机，焊机的焊接速度可在23.5～1180mm/min范围内调节，搅拌头旋转速度可在37.5～1500r/min范围内调节，搅拌头的倾斜角度可任意调节。材料成分及设备2024铝合金，其化学成分如右表所示龙门式搅拌摩擦焊机，如图所示。种类SiFeCuMnMgNiZnCrTiAl20240.50.53.8-4.90.3-0.91.2-1.80.10.3-0.15余量试验方法

4、、结果及分析3试验方法3.1试验方案选用厚度为10mm的2024铝合金平铺，进行焊接工艺参数优化试验。选用圆锥形搅拌针。分别用四种不同螺纹间距的搅拌针进行焊接，焊后制作试样，将试样进行磨、抛、腐蚀，之后进行金相组织观察及硬度测试，分析搅拌针形状对焊缝成型的影响。3.2搅拌针的设计与选择3.3焊接试验3.3.1焊前准备、焊接参数的选择及搅拌针的设计3.3.2进行焊接试验在固定转速、焊接速度、下压量、倾斜角的条件下，分别用搅拌针螺纹间距为2mm、3mm、4mm、双线4mm进行焊接试验。3.4金相制备试验结果分析1

5、焊缝宏观图像试验结果分析2从上图（左）中可看出，螺纹间距为2mm及4mm的搅拌针焊接得到的横截面形貌中,均出现不规则的椭圆形焊核，多数焊核内呈现“洋葱瓣”状花纹。焊核中心偏向于前进边，紊流区也偏向于前进边一侧。且随着螺纹间距的增大，焊核面积增大。图中可得知，螺纹间距为3mm的搅拌针焊得的焊缝相较螺纹间距为2mm的搅拌针焊的焊缝有更明显的飞边缺陷，并且肉眼所见的焊核区也相较之小且浅。从上图（右）中可看出，螺纹间距同为4mm双线较单线的椭圆形焊核更没有那么明显，且焊核区不大，故此螺纹选择单线进行焊接会较为合适。而

6、螺纹间距为4mm的搅拌针焊得的焊缝较螺纹间距为3mm的搅拌针焊得的焊缝焊核区小且浅。综上图观察所得，在搅拌针螺纹驱动下，从焊缝近表面沿螺纹前移至底部的金属流是焊缝的重要组成部分。固定其他参数时，增大搅拌针螺距导致“抽吸-挤压”效应增强，其结果表现为焊核宽度和高度随搅拌针螺距的增大而增大，而双线螺纹下，相同螺距返回边的焊核高度均小于前进边。试验结果分析3不同螺纹间距所得宏观图像试验结果分析4从上图可知，焊核区位于焊缝横截面下方，呈明显“洋葱瓣”状花纹，此区是搅拌针周围塑化金属受螺纹驱动后向下迁移，在搅拌针端部堆

7、积形成的特殊区域，而距离搅拌针中心较近处，塑化金属向上迁移，并且离焊缝上表面越近，母材弯曲程度越小；轴肩变形区位于焊缝上方，呈扇形分布，此区域金属在搅拌头轴肩摩擦热和剪切力的作用下产生较大的塑性挤压变形；轴肩变形区下方为紊流区，金属呈不规则紊流状态，此区是塑化金属向下迁移形成的瞬时低压区，也是焊缝形成过程中金属流的交汇处，如果焊接过程中热输入不足、塑化金属流动不充分，就有可能在这个区域产生缺陷。综合上述图，观察可得知，随着螺纹间距的增大，焊核区越大，这是由于在螺纹驱动下，向下流动的金属流聚集在搅拌针端部形成焊

8、核，焊核在不断扩张过程中挤压搅拌针周围母材金属，使其向上迁移，而图3可明显看见气孔缺陷。试验结果分析5不同搅拌针螺纹间距下焊缝外观形貌分析2mm3mm4mm双线4mm试验结果分析6在该焊接工艺参数下，试件全熔透，焊缝呈盆形，在焊缝的上部，焊核与热力影响区的分界没有中部“洋葱瓣”焊核处明显。焊核区晶粒细小，在返回边热力影响区，焊核与热力影响区分界面处的晶粒呈细小弧形带状分布，随离界面距离的增大，弧形带