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1、毕业论文开题报告2219铝合金搅拌摩擦焊焊缝析出相分析姓 名：学 号：学 院：指导老师：一、论文选题的目的和意义搅拌摩擦焊(FSW)是由英国焊接研究所发明的一种新型固相连接技术。由于FSW是固相连接，热输入量低，和传统的熔焊相比，其接头力学性能优异，具有优质、高效、低耗、焊接变形小等特点。FSW已成功应用于铝、镁、铜、不锈钢、低碳钢和铝基复合材料的焊接，尤其是铝合金的搅拌摩擦焊已经成功应用于实际生产中，在航空、航天、船舶领域得到应用。2219铝合金作为一种高强可热处理强化铝合金，具有高比强等特性，在航空航天，国防等领域尤为重要。对2219铝合金搅拌搅拌摩擦焊焊缝析出相的分析，研究硬铝中第二相粒
2、子的热力学行为，探讨强化相在焊接过程和热处理过程中的演化规律，对提高焊接质量具有重要意义。该研究具有较高的实际应用价值。二、国内外关于该论题的研究现状和发展趋势1 搅拌摩擦焊的工艺过程搅拌摩攘焊是利用耐高温硬质材料制成一定形状的焊具，伸入被焊工件的接缝处，依靠高速旋转的焊具在两焊件边缘产生摩、擦热。使接缝处金属塑化来完成焊接的。焊接过程如图所示。被焊工件需要剐性固定在垫板上，以免焊具、沿焊缝运动时造成工件移动和外表面隆起。在焊接过程中，焊具在高速旋转的同时沿工件的接缝与工件作相对运动。旋转焊具与工件之间摩擦生热，使焊具台肩下面和型销周围的金属发生强烈塑性变形，然后随着焊具的移动，在型销旋转方向
3、上产生的摩擦、搅拌和顶锻作用下，型销的前表面把高度塑化的金属移送到型销后表面。这样，焊具沿着工件接缝前进时搅拌摩擦焊具前面的接头表面被摩擦加热至超塑性状态。焊具的型销部位伸进焊接材料内部进行摩撩和搅拌，焊具的台肩与工件表面摩擦并推压被搅拌的金属，用于防止热塑性状态金属的溢出，同时起到清除表面氧化膜的作用。焊具后面的金属冷却后形成搅拌摩擦焊缝。需要注意的一点是，搅拌摩擦焊过程中，由于搅拌头的旋转运动，会使搅拌头两侧与被焊工件的相对速率不一致。其中，搅拌头在在焊缝方向上的切线速度图1 搅拌摩擦焊的工艺过程与焊接速度方向相同的一侧称为前进侧（AS），而相反的一侧称为后退侧（RS）。搅拌焊接头在前进侧
4、和后退侧的形貌会略有不同，这是由于焊接过程中两侧相对速率不同，产生的热量不同，导致两侧金属塑性流动状态的差异所导致的。2 摩擦搅拌焊的特点目前，搅拌摩擦焊在铝合金的研究最多。由于搅拌摩擦焊的过程中不存在金属的融化，接合部分的温度处于铝合金的熔点以下，属于固相连接过程，具有：焊接接头力学性能好；避免气孔、裂纹等缺陷；焊后残余应力和变形小；可实现不同位置、多重形式的焊接；无飞溅、无烟尘等优点。但是，搅拌摩擦焊在应用中还存在焊接速度低、焊合部分的背面需要挡板或夹具以提供顶住焊具的推压力、无法填充焊合部分终端残留销控等问题。3 2219铝合金其焊缝析出相2219铝合金属于Al-Cu-Mn系可热处理强化
5、合金，具有良好的高低温力学性能，在-250250的温度范围内具有良好的焊接性、断裂韧性，以及抗应力腐蚀等性能，被广泛应用于航空航天领域，尤其在燃料贮箱领域中拥有广阔的应用前景。2219铝合金的主要强化元素有铜、锰、锆、钛等，这些元素会使合金产生时效强化。合金中各元素含量见下表。表1.2219铝合金中各金属含量的百分比Al Si Fe Cu Mn Mg Gr Ni V Zr Zn Ti余量 0.20 0.30 5.8-6.8 0.20-0.40 0.02 - - 0.05-0.15 0.10-0.25 0.1 0.02-0.12219铝合金的主要组成物为相（Al）、相（Al2Cu）、T相（CuM
6、n2Al12）以及少量的TiAl3。2219铝合金搅拌摩擦焊焊接接头各区分别为母材（BM）、热机影响区（TAMZ）、热影响区（HAZ）和完全再结晶的焊核区（NZ）（图2）。图2 搅拌焊接头宏观形貌A-母材 B-热影响区 C-热机影响区 D-焊核在焊接前，母材晶粒细长，并在晶界和晶粒间存在大量的强化相。焊接过程中，焊核区受到焊接热循环和搅拌的双重作用，形态发生明显的变化。在搅拌摩擦焊的过程中，搅拌针与工件及搅拌头肩部之间产生大量的热量，使周围的金属塑化并流动，搅拌力的作用下位错密度不断增加，当位错增殖到一定的程度，焊核区便发生动态再结晶，焊缝组织变为等轴再结晶组织，晶粒均匀细小。热机影响区受到搅
7、拌针及轴肩的共同作用，在较高温度的焊接循环热的作用下，晶粒发生了较大的弯曲变形。热影响区由于在焊接过程中没有受到搅拌作用，只受到了焊接循环热的影响，所以晶粒变得粗大，但依然保留了原母材的特征。由于在接头各区域，焊接循环热和搅拌力的作用有所不同，接头析出相在各区域也呈不同的状态。2219铝合金是以相（Al）为基底，含有许多相（Al2Cu）小颗粒。根据北京航空航天大学王春炎等人的研究（图3），母材晶界和晶界内弥散分布这细小的尺寸在10um以下的析出相。与母材相比，焊核区沉淀更加细小，尺寸在4um以下，沉淀尺寸大小不一，这是由于该区受到的搅拌机械作用最大，发生再结晶的晶粒来不及长大就在搅拌力的作用下
8、发生破碎，形成细小的a母材 b热影响区c热机影响区 d焊核图3 2219铝合金摩擦焊接头个区组织形貌等轴晶组织。热机影响区温度没有焊核区的高，但由于作用时间长，经搅拌作用及焊接循环热，晶粒被明显拉长，发生局部动态再结晶，部分沉淀相发生固溶、析出和长大。由此可见，搅拌头的搅拌作用降低了焊核区和热机影响区的沉淀相尺寸，热影响区由于没有受到搅拌头机械搅拌的作用，故而剧集的颗粒最大，析出相明显粗化，达到16um，且未发生析出相溶解的现象。4 国内外的研究现状及发展搅拌摩擦焊技术最先是由英国剑桥焊接研究所（TWI）提出的，并于1991年申请了专利。有关搅拌摩擦焊工艺的特点及应用等方面的内容，英国剑桥研究
9、所进行了较多的研究，目前其主要与航空航天、海洋、交通、铝材厂、焊接设备制造厂等公司联合以团体赞助与合作的形式开发者这种技术，以扩大其应用范围。美国的爱迪生焊接研究所（EWI）与TWI密切合作进行搅拌摩擦焊工艺的研究。美国的海军研究所、Dartmouth大学、德克萨斯大学，澳大利亚的Adelaide大学、澳大利亚焊接研究所，德国的Stuttgurt大学等等，都从不同的角度对搅拌摩擦焊进行了专门的研究。随着焊接技术的发展，铝合金的搅拌摩擦焊已经进入了商业化阶段。在焊缝的微观组织方面，也有颇多的研究。MurrL等研究了1100铝合金搅拌摩擦焊过程的动态再结晶，再搅拌速度和焊接速度分别为400r/mi
10、n和1mm/s的条件下，对焊后铝合金板进行了显微组织观察，结果表明柱状晶是搅拌摩擦焊的主要特征组织。RhodnevCG等研究了7075板搅拌摩擦焊的显微组织，结果表明焊缝组织为典型的再结晶组织，其晶粒尺寸为24um，强化相在焊接过程中固溶，在随后的冷却过程中形成大量的沉淀强化。搅拌摩擦焊为不能采用熔焊技术的铝合金提供了新的焊接方法。国内目前也有许多单位和工作者进行了搅拌摩擦焊及其焊缝组织的研究。王希靖对铝合金搅拌摩擦焊的影响因素和焊缝性能进行了实验研究。季亚娟等对搅拌摩擦焊工艺及性能进行了研究，试验表明工艺参数选择较好时，焊缝表面较光洁，而当参数选择不当是易产生飞边和沟槽缺陷。王春炎等对221
11、9-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能进行了实验，对摩擦焊接头的微观形貌、力学性能、断裂特征等进行了研究和测试，发现接头析出相受到焊接循环热和机械搅拌作用的影响，在接头各区域的分布形态有明显差异。贺地求等采用30mm铝合金板对2219铝合金厚板搅拌摩擦焊的组织及性能进行了实验分析，发现在旋转速度为1600r/min、焊接速度为20mm/min时，可获得较好的焊缝组织，焊缝的抗拉强度可以达到285MPA。王炜等则就温度对2219铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响进行了试验，并得到结论，2219搅拌摩擦焊接头具有低温条件下增强韧性的特点，而且发现由于焊核动态再结晶的原因，接头的断口位置一般是前进
12、变和后退边，而非焊缝中心。这些研究对搅拌摩擦焊的在国内的发展和应用提供了众多的理论依据和经验。搅拌摩擦焊拥有良好的力学性能和抗焊接变形能力，且不需要保护气体和送丝，无飞溅、无烟尘，作为一种环保的新型连接技术，具有广阔的应用前景。但由于其研究和应用时间尚短，很多理论还未成熟，因此，在其接头的冶金性能、力学性能、微观机制、模拟实验等方面仍有待深入研究。三、论文的主攻方向、主要内容及技术路线本篇论文计划完成如下任务：铝合金中相对基体（Al）的强化机理研究2219铝合金中的相为Al2Cu，相为Al，初步估计搅拌摩擦焊的焊缝中，Al2Cu析出并弥散分布于基体Al中，起到沉淀强化的作用。对相的金相及TEM
13、观察TEM，即透射电子显微镜，分辨率为0.10.2nm，能有效地观察焊缝析出相的结构，以及估算其尺寸。对相在焊接和热处理过程中的结构及形貌演化规律研究需要对不同时期的焊接和热处理的过程中的试样进行金相分析，得到其规律。各区显微硬度测量试样的显微硬度测量暂时决定使用维氏硬度的方法，采用小负荷测量。技术路线：比较其他学者的试样方法和研究成果，分析其优缺点。对不同热处理条件下的2219铝合金样本制备多个试样。对试样进行金相分析并拍照记录。对试样进行透射电镜（TEM）拍照并记录（需提前预约并对试样进行切割）。对试样进行硬度测量。对实验的结果进行处理和分析。四、论文工作进度安排1-2周：撰写开题报告，提
14、出技术路线，获得指导老师同意后进入设计阶段；3-5周：阅读相关参考资料和收集国内外相关文献；6-12周：进行必要的理论推导和数据处理，完成实验，分析实验结果；13-18周：撰写毕业论文，按相关规定打印后提交，完成毕业论文答辩。五、论文主要参考文献1 王春炎.2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能J.焊接学报,2010,31(10):77-842 罗传红. 高强铝合金搅拌摩擦焊接头性能分析J.重庆理工大学学报,2014,28(10):38-413彭杏娜，曲文卿，张国华.焊接方法对2219铝合金性能及组织的影响J.航空材料学报.2009,4（2）:57-604 贺地求，邓航，周鹏展.2
15、219厚板搅拌摩擦焊组织及性能分析J.焊接学报，2007,28（9）:13-165陈迎春，刘会杰，冯吉才.2219-0铝合金的搅拌摩擦焊J.焊接学报，2006,26（1）：65-686胡伟叶.高强铝合金搅拌摩擦焊缝“白斑”形成机理分析.理化检验：物理分册.2013,49:529-5347季亚娟，蒋成禹，严铿.铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能的研究J.华东船舶工业学院学报，2004,18（1）：68-718栾国红，郭德伦，张田仓，孙成彬.铝合金的搅拌摩擦焊J.焊接技术,2003,32（1）：1-48 NarayanaG V. Fracture behavior of aluminum alloy 2219-T87 weldedplatesJ.ScienceandTechnologyofWeldingandJoining,2004,9(2):121-130.9RhodnevCG,MahonevMV,BingelWH,etal.Effectoffrictionstirweldingonmicrostructureof7075aluminumJ.ScriptaMaterialia,1997,37(1):69指导教师签名：2015年 月 日
