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1、江苏科技大学硕士学位论文LF21铝合金搅拌摩擦焊回抽工艺的研究姓名：刘海波申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：严铿20080101搅拌摩擦焊回抽工艺的研究 作者：刘海波 指导教师：严铿 教授 江苏科技大学 可回抽搅拌摩擦焊技术是在传统的搅拌摩擦焊 （FSW） 技术的基础上研发出来的一项革命性的新技术。一直以来，传统的搅拌摩擦焊都是依靠一个固定的搅拌头进行焊接，这会在焊缝末端留下一个缺陷-匙孔。对于平板的焊接，可采用加“引导板”和“导出板”的方式消除“匙孔” ，然而在焊接诸如圆筒形容器时，环焊缝上留下的“匙孔”就无法消除，必然会引起焊缝强度、质量等很多问题。因此，可回抽搅拌摩擦焊工艺的
2、研究对消除环焊缝中的匙孔，减少缺陷，降低成本有着巨大的经济效益。 本文采用由9341钢和35CrMo钢分别做搅拌针和轴肩材料制成的人工控制可回抽搅拌头在 14mm 的 LF21 铝合金板材上模拟环形工件的焊接。 在进行正式回抽工艺试验之前，先进行了搅拌摩擦焊回抽工艺的预研究，找到了进行回抽试验的合适参数， 得出如下重要结论： 对于 14mmLF21 铝合金而言， 保持旋转速度 1200rpm不变，前进速度在 100200mm/min 之间变化时，可回抽距离应不小于 100mm，否则将出现隧道或沟槽缺陷。 然后，通过采用自行研制凸头式形状的搅拌头，改变不同的工艺参数（如前进速度、回抽距离等）进行
3、焊接，对焊后的试板进行拉伸试验，金相试验，显微硬度试验、扫描电镜试验等，得出结论如下：焊接重叠区焊接接头的性能优于一次焊接接头； 焊接接头的抗拉强度值随着搅拌头的前进速度的增大先增大到最大值后减小，拉伸试样的断裂位置位于靠近焊缝前进侧，经 SEM 试验发现接头断口形貌属于典型的韧性断裂；当改变回抽距离时，其接头的抗拉强度也是先增大到最大值后减小，而此时试样的断裂位置位于距中心的后退侧处；当搅拌头的旋转速度 1200rpm，前进速度 150mm/min，且回抽距离 150mm 时，得到的回抽接头无缺陷且性能最佳。 此外，还设计了一种端部凹槽式搅拌针，经过与凸头式搅拌针焊接接头性能的比较，发现凹槽
4、式搅拌针焊接的接头性能优于凸头式搅拌针，拉伸试样的断裂位置也位于距焊缝中心靠近后退侧处；从接头横向剖面的宏观金相照片中观察到，只有在凹槽式搅拌针端部下方，才有由于金属流动形成的特殊椭圆环，这是导致接头的性能较高的根本原因。 关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；匙孔；工艺关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；匙孔；工艺 摘 要 I 摘 要 可回抽搅拌摩擦焊技术是在传统的搅拌摩擦焊（FSW）技术的基础上研发出来的一项革命性的新技术。一直以来，传统的搅拌摩擦焊都是依靠一个固定的搅拌头进行焊接， 这会在焊缝末端留下一个缺陷-匙孔。 对于平板的焊接， 可采用加“引导板”和“导出板”的方式消除“匙孔”，然而在焊接诸如圆筒形
5、容器时，环焊缝上留下的“匙孔”就无法消除，必然会引起焊缝强度、质量等很多问题。因此，可回抽搅拌摩擦焊工艺的研究对消除环焊缝中的匙孔，减少缺陷，降低成本有着巨大的经济效益。 本文采用由9341钢和35CrMo钢分别做搅拌针和轴肩材料制成的人工控制可回抽搅拌头在 14mm 的 LF21 铝合金板材上模拟环形工件的焊接。在进行正式回抽工艺试验之前，先进行了搅拌摩擦焊回抽工艺的预研究，找到了进行回抽试验的合适参数，得出如下重要结论：对于 14mmLF21 铝合金而言，保持旋转速度 1200rpm 不变，前进速度在 100200mm/min 之间变化时，可回抽距离应不小于 100mm，否则将出现隧道或沟
6、槽缺陷。 然后，通过采用自行研制凸头式形状的搅拌头，改变不同的工艺参数（如前进速度、回抽距离等）进行焊接，对焊后的试板进行拉伸试验，金相试验，显微硬度试验、扫描电镜试验等，得出结论如下：焊接重叠区焊接接头的性能优于一次焊接接头；焊接接头的抗拉强度值随着搅拌头的前进速度的增大先增大到最大值后减小，拉伸试样的断裂位置位于焊缝的前进侧，经 SEM 试验发现接头断口形貌属于典型的韧性断裂；当改变回抽距离时，其接头的抗拉强度也是先增大到最大值后减小，而此时试样的断裂位置位于后退侧处。 此外，还设计了一种端部凹槽式搅拌针，经过与凸头式搅拌针焊接接头性能的比较，发现凹槽式搅拌针焊接的接头性能优于凸头式搅拌针
7、，拉伸试样的断裂位置也位于距焊缝中心靠近后退侧处；从接头横向剖面的宏观金相照片中观察到，只有在凹槽式搅拌针端部下方，才有由于金属流动形成的特殊椭圆环，这是导致接头的性能较高的根本原因。 关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；匙孔；工艺关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；匙孔；工艺 Research on LF21 aluminum alloy for the retractable Friction Stir Welding Technology Author:Liu Haibo Advised by Professor Name:YanKeng JiangSu University Science and T
8、echnology The retractable Friction Stir Welding is a revolutionary new technology , which is on the basis of the traditional Friction Stir Welding (FSW).The head of traditional FSW has always been a fixed when welding , so the end of welding will leave a defect -Keyhole .We can use “the guiding boar
9、d” and “the exporting board” to eliminate the “Keyhole” for the plate welding . However , the keyhole of central welding ,such as cylinder welding ,can not be eliminated , which will induce many defects, for example strength ,quality, and so on. Therefore , the retractable Friction Stir Welding will
10、 eliminate the keyhole of the central welding , reduce defects , and get tremendous economic benefits. In this paper, manual control retractable pin of FSW which is made of 9341 and 35CrMo ,can be used on the 14mm LF21 aluminum sheet to simulate ring welding. The advanced research prior to retractab
11、le FSW finds the suitable parameters: the retractable distance should not be less than 100mm when the rotation speed is 1200 rpm, the forward speed changes from 100 to 200mm/min for 14mm LF21 aluminum alloy, otherwise there will be trench or tunnel defects. Then, through the use of self-developed fi
12、rst convex shape retractable FSW head , changing various parameters (such as forward speed ,retractable distance, etc.) ,it came to the following conclusions in these tests ,such as the welding tensile test , metallographic test , micro hardness test, scanning electron microscopy : the welding overl
13、apping areas of welded joints is better than the first welded joint ; the tensile strength of welded joints first increase to the maximum after decrease with the forward speed increasing ; the tensile specimen fracture area was located the forward side ,and found joint fracture is the typical fractu
14、re toughness through the SEM test; the tensile strength of the joints also increases to the maximum and then decreases when the retractable distance increases ,but the fracture location is on the retreat side; the retractable welding joint has no defects and the performance is the best when rotation
15、 speed is 1200rpm, forward speed is150mm/minm, and the retractable distance is 150mm. In addition , the joint performance welded in the other retractable head which has a groove in the end is better than the convex head , the fracture location of the tensile specimens is also on the retreat side; it
16、 is observed from the metallographic photo of the horizontal section joint that there only has a unique oval ring , which maybe made of the metal flow ,under the bottom of the grooved head , this may lead to higher performance of the welding joint. Keyword: FSW; Aluminum Alloy; Keyhole; Technology Abstract II Abstract The retractable Friction Stir Welding is a revolutionary new technology, which is on the basis of the traditional Friction Stir We
