退火工艺对LY12摩擦焊件接头力学性能的影响

1、本 科 毕 业 设 计 开 题 报 告题 目 退火工艺对LY12摩擦焊件接头力学性能的影响 学生姓名 杨 瑞 娟 学号 1114054239 所在院(系) 材料科学与工程学院 专业班级 材 控1104 指导教师 孟 凡 莹 2015年 3 月 20 日题 目退火工艺对LY12摩擦焊件接头力学性能的影响一、选题的目的及研究意义1.目的：摩擦焊具有广泛的工艺适应性，可以进行同质金属材料、异形金属材料、金属与非金属材料的焊接，特别是许多很难或者不能用熔焊方法焊接的材料、一些新型材料、难溶材料，都可以考虑用摩擦焊进行焊接，如高强、高温合金及有色金属材料、轻金属、粉末合金材料、形状记忆合金、铸造合金、复

2、合材料等11。2.研究意义：摩擦焊是一项先进的固态焊接技术 , 它具有焊接质量好、生产效率高、成本低、易实现生产自动化等优点 , 并已在汽车、 拖拉机、阀门、锅炉、 地质钻探、石油机械等行业得到广泛应用。 但目前对摩擦焊工艺因素，组织结构因素，合金成分等的交互作用的研究很浮浅,在实际生产中存在经验不足、生产稳定性差等问题 , 使摩擦焊接头的强韧性偏低。 低中碳合金钢摩擦焊空冷后 , 焊缝近缝区硬度较高 , 韧性较低 , 其原因之一是近缝区在焊后空冷得到的是不均匀的淬硬组织 , 因此常通过焊后热处理来改善焊缝的韧性。 对于细长杆件的摩擦焊接头常采用焊后接头局部回火热处理,但在实际生产中常因回火工

3、艺参数选择不当 ,使焊缝及热影响区的硬度和强度显著下降 , 导致拉伸试件断于焊缝或热影响区 , 使焊缝成为构件的薄弱环节。并且大量试验发现 , 在实际生产的母材焊前热处理过程中 , 热处理工艺参数波动使母材的力学性能不均匀 ; 而摩擦焊焊缝的强度则随着母材强度的变化而变化 , 焊前母材的组织状态与性能是否与摩擦焊接头的组织与性能有直接关系 ,目前有关此方面的研究极少。为此本试验选用石油机械部门中用于制造抽油杆的材料 LY12为母材, 在同样摩擦焊工艺参数下进行摩擦焊,探讨焊后退火热处理工艺对接头强韧性的影响, 从而为工程应用中制定生产工艺提供理论依据13。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发

4、展趋势、研究方法及应用领域等1、连续驱动摩擦焊原理：连续驱动摩擦焊接是最典型的摩擦焊接方法，其原理是在摩擦压力的作用下被焊界面相互接触，通过相对运动进行摩擦，使机械能转变为热能，利用摩擦热去除界面的氧化物，在顶锻力的作用下形成可靠接头10。2、研究现状：摩擦燥的概念最早于1891年由英国人J.H.贝文顿提出,至 1956年连续驱动摩擦焊(FRW)由前苏联学者首先试验成功。此后,摩擦焊作为一种优质、高效、节能和无污染的先进焊接方法,已被众多发达国家作为一项技术政策而大力推广应用。我国是世界上研究摩擦焊最早的国家之一,但我国应用摩擦焊技术所焊接的产品只有英、美、日等发达国家的1/5至1/10,应用

5、领域有限。限制摩擦焊技术在我国进一步推广应用的影响因素有很多方面,其中焊接质量的稳定性是一个重要原因。要缩短与发达国家的差距,大力推广摩擦焊技术,就必须大力开展摩擦焊接技术的相关基础研究和应用研究2。LY12是可热处理强化的铝合金,经固溶处理,自然时效或人工时效后具有较高的强度。该合金还具有良好的成形性能和机械加工性能,能获得各种类型的制品,是最广泛应用的铝合金之一。在生产上,一般LY12合金工件只要求进行固溶+自然时效或固溶+人工时效处理,并无性能指标要求。但是对于某些特殊工件有具体的性能要求。由于LY12合金性能数据不全,而且原材料状态对热处理性能也有影响,给工艺编制带来了困难15。生产中

6、LY12合金工件1及工件2分别要求60-105 HB及100-120 HB,测试原材料硬度为120-125 HBS,需要进行过时效处理。先对试块处理确定了过时效温度,但处理工件时硬度不合格,因此又要进行固溶+时效+过时效处理,这样增加了生产周期。初步的试验表明过时效硬度对温度及保温时间很敏感,不易控制,与以往处理铝合金的情况不同。此外,生产中有时会考虑采用固溶+人工时效还是固溶+自然时效处理,就需要具体的数据作参考。因此开展了热处理工艺对LY12合金性能的影响的研究,得出适合我单位生产实际的LY12合金热处理基本数据,为生产提供技术支持,以便于在工艺编制时根据技术要求,选定工艺参数,避免边生产

7、边试验,影响生产任务的完成15。3.发展趋势：摩擦焊工艺是自激光焊接问世以来最引人注目的焊接方法。它的出现将使铝合金等有色金属的连接技术发生重大变革。用连续驱动摩擦焊方法焊接铝合金取得了很好的效果。现如今在英、美等国正进行锌、铜、钛、低碳钢、复合材料等的连续驱动摩擦焊接。连续驱动摩擦焊在航空航天工业领域有着良好的应用前景10。铝合金材料是制备我军两栖装甲突击车、两栖步兵战车和轻型履带式步兵战车（空降兵战车）的主要材料，其具有密度低，导电导热能力强，力学性能优异，可加工性好等优点。虽然铝合金表面采取了表面陶瓷化和喷涂等多种防护措施，基本具备了服役运行中抵抗腐蚀破坏的能力，但服役过程中的恶劣环境仍

8、会导致表面防护层局部开裂从而使其丧失防护性能，使得局部区域的金属与腐蚀介质发生触应力腐蚀不可避免。同时由于铝合金装备多服役于高温高湿地区，铝合金表面在残余应力的作用下易发生氢致脆性断裂。氢致脆性断裂和应力腐蚀的共同存在更加速了裂纹的扩展，从而对铝合金装备带来致命的损伤【14】。通过调查研究发现轻质合金如铝合金，其装备及零部件的腐蚀、磨损、疲劳、裂纹、断裂等问题严重，针对这一问题本文研究并分析了退火热处理条件下LY12 铝合金焊接接头的余应力及力学性能。该研究为未来装甲铝合金的焊接设计、加工方案提供了理论支持，在军事应用方面具有广阔前景【14】。4.研究方法： 主要的工艺流程是：选材切割摩擦焊接

9、保温空冷清洁线切割热处理力学性能实验比较分析。对已处理完的试样进行检验，用常规金相制备方法，将焊缝纵截面制成金相样品，再用扫描电子显微镜观察焊接接头组织形貌和分析金属间化合物的成分。5.摩擦焊技术的应用领域：铝合金的摩擦焊经历了10年的研究发展，现在国外已经进入大规模的工业化应用阶段尤其在美国的宇航工业、欧洲的船舶制造工业、日本的高速列车制造等工业制造领域得到了非常成功的应用。船舶制造和海洋工业：船舶制造和海洋工业是摩擦焊首先得到商业应用的两个工业领域。 在航天领域，摩擦焊在宇航领域的工业应用范围主要为：机翼、机身、尾翼、飞机油箱；外挂燃料箱；运载火箭、航天飞机的低温燃料筒；军用和科学研究火箭

10、和导弹；熔焊接构件的修理等。 铁路运输工业：利用摩擦焊技术来制造高速列车已经取得成功，摩擦焊在列车制造领域的应用主要为：高速列车、轨道货车、地铁车厢和有轨电车、轨道油轮和货物驳船、集装箱体等。 陆路交通工业：目前应用主要为在发动机引擎和汽车底盘和车甚支架、汽车轮鼓液压成型管附件、汽车车门预成型件、车体空间框架、卡车车体、载货车的尾部升降平台、汽车起重器、装甲车的防护甲板、汽车燃料箱、敞篷旅行车、公共汽车和机场运输车、轻合金摩托车和自行车、人工关节和零件、逃生交通工具、镁合金和铝合金的连接。 建筑工业：摩擦焊在民用建筑工业的应用主要为：铝合金桥梁、铝合金、铜合金、镁合金装饰板、门窗框架铝、合金管

11、线、电厂和化学工厂的铝合金反应器、热交换器、中央空调、管状结构件制造等。 电子工业：电子工业对摩擦焊的兴趣也在增加，其应用主要表现为：发动机壳体、电器连接件、电器封装等。 其他工业领域：在其他工业领域搅，摩擦焊也有较多应用。例如，冰箱冷却板、厨房电器和设备、白色家用物品和工具、天然器、液化气储箱和容器、家庭装饰等4。三、对本课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明1.本课题要解决的主要问题：本课题是以硬铝LY12棒材为研究对象，研究不同退火温度、保温时间时接头的抗拉强度测试、接头弯曲强度试验。（1）比较不同退火温度下进行热处理的铝合金

12、摩擦焊后的焊接接头力学性能的区别，确定一个最佳的退火温度；（2）比较不同保温时间下进行热处理的铝合金摩擦焊后的焊接接头力学性能的区别，确定一个最佳的保温时间；2.解决问题的思路：解决此问题思路是用控制变量法，在其他条件不变的前提下改变某一研究量，最终确定该研究量的最佳方案。（1）在保温时间不变前提下，在不同的退火温度下进行热处理，通过对焊接接头力学性能的分析，确定一个最佳退火温度范围；（2）在所确定的最佳退火温度不变的前提下，采用不同的保温时间进行热处理，通过对焊接接头力学性能的分析，确定一个最佳保温时间；（3）采用以上得到的最佳退火温度和保温时间，进行热处理，与未进行热处理的焊接接头力学性能

13、进行比较，分析其优缺点。3.拟采用的实验方案：（1）准备材料：直径40mm，长度100mm的硬铝Ly12棒料两份（已打磨）；（2）进行试样的切割及表面清洁处理；（3）对硬铝LY12金属进行连续驱动摩擦焊接；（4）保温一段时间然后空冷；（5）简单清洁，进行线切割；（6）进行不完全退火工艺处理（退火温度350-380，保温时间1-3h）；（7）进行力学性能(拉伸、压弯)测试实验，分析力学性能的变化；（8）采用列表法（作图法）对实验结果进行总结分析，通过实验所得的数据确定最佳工艺。4.论文写作提纲：（1）任务书（2）中英文摘要（3）目录（4）引言（本课题研究的目的研究现状及发展趋势研究内容及技术路线

14、）（5）论文正文（实验内容与方法、实验材料与设备、分析测试、实验结果、分析与讨论）（6）结论（7）致谢（8）参考文献备注：在这个实验中，可能影响实验结果的因素还有：切割有误差，忽略了材料焊接长度和直径，还有材料放置位置（一般认为熔点高的放在温度高的一侧，有利于金属塑化流动，获得理想接头）对实验结果影响。故上述的因素均采取经验值。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明1Swindler D E. What Industry needs to know about friction welding J. Welding Journal: 1994, 73(3):37-42.2段立宇,杜随更,时

15、渭清等.摩擦焊接的现状和展望J.西北工业大学学报,1993,11(增刊):1-8. 3Kevin, J. Cr ewe. Friction welding takes on new applications J.Welding Journal, 1997, 9-40.4王敬和,曲伸,祝文卉.现代摩擦焊技术在航空制造业中的应用和发展J.航空制造技术,2006,(5): 14-15.5张忠信,朱海,吴则中等.摩擦焊在石油机械制造中的应用J.石油矿场机械,1998,27 (1): 4-7.6中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册-焊接方法及设备(第2版) M.机械工业出版社,2005:697-699,

16、711-712,706-707.7段立宇,刘金合.摩擦焊接物理研究进展J.西北工业大学学报,1993,11(增刊):9-168CHENG Shijiazhuang, The Chinese Welding Engineer Handbook, The second edition (Beijing, Machinery Industry Press, 2010) p.671(陈祝年, 焊接工程师手册(第二版), (北京: 机械工业出版社,2010)9 李鹏,李京龙,梁力,熊江涛,张赋升.连续驱动摩擦焊接头的特征形貌和性能J材料研究学报，2014,7,7-28.10 韩丽娟，李亚磊.连续驱动摩擦

17、焊接基本原理及发展现状J工程技术与产业经济，2011,2，1007-3973（2011）001 -030.11 陈忠海,摩擦焊接技术及其工程应用J焊接应用，2011,8,8-41.12 Nicholas E DFriction processing technologiesRCopyright by TWI， 199913 刘雪梅，张彦华，邹增大先进摩擦焊接技术的开发与应用 J热加工工艺， 2006， 7(35)： 4952.14 黄艳斐，汪勇，周新远，张伟. 不同热处理条件下LY12铝合金焊接试样的残余应力及力学性能M.北京：材料热处理技术.2012.15 刘春燕,邱义伦,王斌. LY12铝合金热处理工艺研究M.四川：中国工程物理研究院.2008. 五、毕业设计进程安排（1）1月10日到3月20日