高速客车车体6005铝合金搅拌摩擦焊工艺试验研究

1、西 南 交 通 大 学 本科毕业设计（论文）高速客车车体6005铝合金搅拌摩擦焊工艺试验研究年 级:2007级 学 号:20075357 姓 名:王文蕾专 业:材料成型及控制工程 指导老师:周友龙2011年6月西南交通大学本科毕业设计(论文 第 I 页院 系 材料科学与工程学院 专 业 材料成型及控制工程 年 级 2007级 姓 名 王文蕾 题 目 高速客车车体6005铝合金搅拌摩擦焊工艺试验研究 指导教师评 语指导教师 (签章评 阅 人评 语评 阅 人 (签章成 绩答辩委员会主任 (签章年 月 日毕业设计（论文）任务书班 级 成型07-3班 学生姓名 王文蕾 学 号 20075257发题日期

2、： 2011 年 2 月 28 日 完成日期： 6 月 17 日题 目 高速客车车体6005铝合金搅拌摩擦焊工艺试验研究 1、本论文的目的、意义 随着现代交通的高速发展, 对交通工具中应用的材料性能要求越来越高. 铝合金制品因其质轻、耐蚀性好、拉伸性能好等特点, 可实现其型材的大型宽体化. 为此, 铝合金在高速列车车体中的应用已成为当今世界各国研究的热点。6005铝合金因其热挤压成型性、耐蚀性、焊接性能均非常优异且强度可满足高速列车用材料的要求，日本、西欧等国广泛采用6005铝合金制造高速列车车体。我国许多科研工作者也在该领域开展了大量的研究工作。目前,6005铝合金大型挤压型材已研制成功并投

3、入生产, 逐步成为高速列车用大型铝合金型材的主要用材之一。随着我国铁路交通事业的发展,6005合金必将有广泛的应用前景. 虽然6005铝合金有着良好的综合性能, 但其尚无完善的工艺技术，还需要实验研究，进一步制定合理的工艺技术，以满足以后的生产。 2、学生应完成的任务1）收集相应的资料并进行英文资料的翻译训练；2）了解6005铝合金材料、搅拌摩擦焊和工艺技术的优化及有关知识；3）制定不同的处理工艺，并进行材料处理；4）制备试样，对组织及工艺性能进行分析； 5）完成毕业设计论文。 3、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周） 第一部分文献查阅及英文翻译 (2周第二部分 了解6005铝合金材料、

4、搅拌摩擦焊和制定工艺 (2周 第三部分 实验和试样分析 (8周第四部分 论文书写 (2周第五部分审阅论文(1周评阅其答辩(1周备 注指导教师：年 月 日审批人： 年 月 日摘 要本论文主要以高速列车车体所用材料为研究背景，研究了6005铝合金的搅拌摩擦焊工艺，阐述了搅拌摩擦焊的工艺的基本原理、优缺点、国内外的研究现状、发展前景及影响其焊接接头质量的主要的工艺参数（包括搅拌头的旋转速度、焊接速度、搅拌头的轴肩压力等）。针对6005铝合金搅拌摩擦焊焊接接头，进行拉伸、弯曲、冲击、硬度、微型剪切等常规力学性能试验和金相组织分析。得出如下结论：当焊接工艺参数选择合适时，可得到外形美观，无缺陷的焊缝；如

5、果工艺参数选择不当，则会出现沟槽、飞边和隧道型缺陷。还发现焊接接头的力学性能（包括抗拉强度和延伸率）与焊接工艺参数存在一定的关系，当其它的焊接工艺参数为定值时，接头的力学性能随着焊接速度的增加而增加，达到一个最佳值，之后随着焊接速度的进一步增加，接头的力学性能开始下降。所得试验结果：搅拌摩擦焊的拉伸强度为母材的52.8、72.4、77.1；搅拌摩擦焊的背弯角度均能达到180°；FSW 接头焊核区、前进侧和后退侧的室温冲击功均高于母材；焊接接头热影响区均存在软化现象，FSW 焊接接头前进侧比后退侧软化程度严重；通过观察金相可知，焊核处晶粒都比母材处晶粒要细。 关键词：搅拌摩擦焊；600

6、5铝合金；焊接速度；组织；力学性能AbstractThe topics to CRH body materials for the research background.目 录第1章 绪论 . 11.1传统摩擦焊发展概述 . 11.2搅拌摩擦焊接的发展及研究现状 . 21.2.1美国爱迪生焊接研究所(简称EWD 生产的搅拌摩擦焊设备 . 21.2.2搅拌工具设计 . 41.2.2.1从材料焊接的角度 . 51.2.2.2从理论的角度 . 61.2.2.3从工艺的角度 . 61.2.2.4从设备的角度 . 71.3搅拌摩擦焊接原理及工艺特点 . 81.3.1搅拌摩擦焊接原理 . 81.3.2搅

7、拌摩擦焊接工艺特点 . 91.4捍缝金相组织及力学性能 .111.4.1焊缝组织特点 .111.4.2焊缝的显微组织演变 . 141.5应用前景 . 171.6本论文的目的、意义 . 18第2章 试验材料设备及试验方法 . 192.1试验材料 . 192.2试验内容 . 192.2.1工艺试验 . 192.2.1.1试验设备 . 202.2.1.2焊接前准备 . 232.2.1.3试验方法 . 232.2.2工艺试验方案 . 232.2.2.1工艺参数的制定 . 232.2.3拉伸试验 . 272.2.4弯曲试验 . 272.2.5冲击试验 . 282.2.6微型剪切试验 . 302.2.7硬

8、度试验 . 312.2.8金相试验 . 31第3章 试验结果及分析 . 333.1工艺参数对焊缝表面的影响 . 333.2拉伸试验结果及分析 . 363.3弯曲试验结果及分析 . 373.4冲击试验结果及分析 . 383.5微型剪切试验结果及分析 . 393.6硬度试验结果及分析 . 413.7金相试验结果及分析 . 443.8搅拌摩擦焊表面缺陷分析 . 523.9焊接接头内部缺陷分析 . 53第4章6005铝合金搅拌摩擦焊和MIG 焊试验结果对比 . . 54结论 . 55致谢 . 56参考文献 . 57附表 . 59第1章 绪论传统摩擦焊是在轴向压力与扭矩作用下，利用焊接接触端面之间的相对

9、运动 及塑性流动所产生的摩擦热及塑性变形热，使接触面及其近区达到粘塑性状态并 产生适当的宏观塑性变形，然后迅速顶锻而完成焊接的一种压焊方法。摩擦焊接以其优质、高效、节能、无污染的特色，在航空、航天、核能、海 洋开发等高技术领域及电力、机械制造、石油钻探、汽车制造等产业部门得到了 广泛的应用。 然而，传统摩擦焊接过程中必须有一个工件是回转体，主要用于截面盘轴类 零件的焊接，因而其应用受到一定的限制。近年来，随着金属材料、结构的发展，需克服传统摩擦焊接的被焊工件几何 形状的限制并提高生产率，传统摩擦焊接工艺方法已由传统的几种形式发展到了 目前的十多种形式(见图1-1 ，这极大地扩展了传统摩擦焊接的

10、应用领域。被焊 接零件的几何形状也由典型的圆截面扩展到了非圆截面和板材等形状，所焊接的 材料也由传统的金属材料拓宽到了粉末合金、复合材料、功能材料、难溶材料、 以及陶瓷一金属等等新型材料及特种材料领域。一些特殊摩擦焊接技术如径向摩擦焊接、线性摩擦焊接的研究工作己引起人们的重视，但实际应用很少。而新兴的搅拌摩擦焊接(FrictionstirWelding是对传统摩擦焊接技术的创新和发展，是21世纪国内外研究的热点。搅拌摩擦焊接(FrietionStirwelding是英国焊接研究所(TheWeldingInstitute于1991年发明并申请了专利的一种新型焊接方法，它是一种用于低熔点铝合金板材

11、焊接的固态连接技术。瑞典ESAB 公司是第一家生产搅拌摩擦焊机的企业，在第十四届国际焊接展览会上展出的ESAB 生产的焊机，能够以750mm/min焊接速度焊接5mm 厚的6000系列铝合金。目前，在TWI 的实验基地安装了他们研制的SuperStirTM 搅拌摩擦焊设备。挪威一家造船厂已经使用了他们生产的PowerstirTM 搅拌摩擦焊机，用于快艇的铝合金结构件的连接。1.2.1美国爱迪生焊接研究所(简称EWD 生产的搅拌摩擦焊设备(l龙门式(移动构架式 搅拌摩擦焊设备 (FW21:它可焊接2m 长的直焊缝，最大焊接速度 1.0m/min，适用于板厚3-15mm 的铝合金材料，工件允许的最

12、大尺寸为:长 2.0m 、宽 1.2m。(2组合式搅拌摩擦焊设备(FW22:该设备目前是TWI 最大的实验用搅拌摩擦焊机，可用于焊接大尺寸工件的直焊缝、环焊缝。最大焊接速度 1.2m/min，工件允许的最大尺寸为:长3.4m 、宽4m 。(3工装复杂的搅拌摩擦焊设备 (FW18、FW14:最大焊接速度 1.0m/min，板厚的适用范围是铝合金单面焊5-50mm ，双面焊10-100mm; 钛合金单面焊5mm 。(4用于焊接铝合金薄板的高转速搅拌摩擦焊设备(FW20:最大焊接速度2.6m/min，最大旋转速度15000r/min，常用于焊接厚1.2一12mm 的铝合金材料。(5用于演示搅拌摩擦焊

13、工艺的设备 (FW16，其工作电压为 110V或220一240V 。可在六边形铝合金花盘上形成环形的FSW 焊缝。此外，EWI 还生产一种小型焊机，将它与大型焊机联合使用，用于1.5m ×3.0m 板材的焊接，它能控制载荷或位移，可生产非线形焊缝。此外，还有以下几种搅拌摩擦焊机:见图1-21-7 搅拌摩擦焊接时，热量主要来自于焊针与工件的摩擦。焊针的直径过大时，焊接区断面面积增大，热影响区变宽，同时搅拌焊针向前移动时阻力增大; 焊针的尺寸过小时，摩擦产生的热量不足，焊接区热塑性材料的流动性差，搅拌焊针向前移动时所产生的侧向挤压力减小，不利于形成致密的焊缝组织。研究结果表明，搅拌焊针的

14、直径为工件厚度的0.91.1倍时，焊缝质量较好。当搅拌焊头的肩部直径与焊针直径之比为3:1时，在适宜的工艺参数下施焊，容易获得较高质量的焊缝。相对于其它材料，工程陶瓷氧化错作为搅拌头材料比普通搅拌头多产热30%70%。高速度的热输入意味着有高的焊接速度。常用的搅拌头材料为:马氏体不锈钢SUS440C 、S45C 中碳钢、高碳钢、工具钢等。目前搅拌焊头的形状主要有圆柱形、圆锥形、螺旋形。螺旋形搅拌焊头在旋转的同时，可产生向下的锻造力，更有利于焊缝金属的焊合及成形。 TWI研制了Skew-stirTM 、WhoriTM 、 MXTrifiuteTM、TrivexTM 和MXTrivexTM 等系列

15、的搅拌头，NASA 研制了可伸缩式的搅拌头，这些系列的搅拌头可针对不同情况下的搅拌摩擦焊接。另外实验中设计的三种搅拌头如图1-8所示 图1-8设计的三种搅拌头下面从不同的角度来对搅拌摩擦焊接技术的研究现状作一个概要说明:目前研究较多的是铝合金的焊接，用搅拌摩擦焊已成功焊接了2000系列(Al-Cu、5000系列(Al-Mg、6000系列(AI-Mg-51、7000系列(Al-Zn、8000系列(Al-Li等铝合金。据文献报道，用搅拌摩擦焊焊接铝铿合金时，合金的局部最高温度仅约500，能够防止焊缝中铿元素的挥发。采用搅拌摩擦焊还能解决siC 增强铝基复合材料的焊接问题，能防止界面反应的发生。铝合

16、金是一种高比强度的材料，常用于飞机、汽车、船舶等结构中，采用铝 合金构件可以减轻这些结构的重量，提高它们的综合性能。但由于在熔化焊时易 产生气孔、裂纹、变形等缺陷。使焊接性能降低，故铝合金零件的连接多采用铆 接或机械连接，因此，限制了铝合金在飞机、汽车、船舶等结构中的应用17。 利用搅拌摩擦焊接技术，可以克服熔化焊时的缺陷，且焊接接头的性能也不 会降低，现已可以用该方法焊接厚达75mm 的铝合金板材。而且搅拌摩擦焊接的应用领域也在不断拓展。最初，搅拌摩擦焊接技术主要 用于焊接铝铿合金，这是因为铝铿合金是一种比强度更高、综合性能更好的轻型 结构材料，并且用搅拌摩擦焊接方法焊接铝铿合金取得了很好的

17、效果。后来，英美等国进行了Zn 、Cu 、Ti 、低碳钢及复合材料等的搅拌摩擦焊接技术的研究。现在，搅拌摩擦焊接技术已经能够用来焊接其它有色金属，如铅、锌、镁合金、铜及铜合金、钦合金等，甚至能够用于焊接黑色金属，如钢等。目前对搅拌摩擦焊接接头形成机理的研究还处于起步阶段。英国剑桥大学的 H.R.shercliff 、美国Ewi 的z.Feng 等开发了一种模拟搅拌摩擦焊热过程的加热模 型，利用该模型，可以更快更精确地计算出焊接工艺参数，更好地了解材料流动 的途径和塑性变形的大小，从而可以更好地了解该工艺的加热与接合机理。挪威Hydro 铝业公司、美国Rockwell 科学中心和波音公司、日本S

18、ulnitomo 轻金属工业公司、德国GKSS 研究中心和瑞典ESAB 公司(世界最大的焊接设备 制造商 等研究了搅拌摩擦焊的工艺过程、焊缝性能、微观组织和腐蚀性能等。 EWI 等还进行了相关的模拟试验研究，并建立了搅拌摩擦焊的热模型。该模型的理论是，焊接过程中的热量是由工具突肩的边缘产生的，它能预先确定最后形成的温度分布，能够对确定的温度分布和形成这些温度分布的工艺条件作出简单明了的解释。利用该模型能很快地计算出焊接工艺参数，能够对搅拌摩擦焊的加热过程和焊接机理有一个较好的了解。搅拌摩擦焊接的应用时间不长，理论研究尚不成熟。但随着搅拌摩擦焊接理论和技术的不断发展与日臻完善，其应用必将愈来愈广

19、。搅拌摩擦焊工艺参数很简单，最重要的参数是:焊头的尺寸、焊头的圆周速度、以及焊头的相对移动速度(即焊接速度 。一般来说，对于铝合金的焊接，焊头的旋转速度可以从几百r/min到上千r/min。焊接速度一般在lmn/s15mn/s之间。所以，搅拌摩擦焊可以很方便的实现自动控制。另外，在焊接过程中焊头要压紧工件。 例如，对1100和6061冷轧板进行搅拌摩擦焊:板厚为6.3mm ，焊头的直径为6.3mm ，长度为5.8mm 。当焊接速度为14mm/s，焊头的转速在2002000r/mln的范围改变时，形成优质焊缝的最佳转速是400r/min。在转速过高时，例如超过 10000r/min，引起材料应变

20、速率增加，可能影响焊缝的再结晶过程。搅拌摩擦焊接技术的主要工艺参数是摩擦速度及时间，关键技术在于特殊结 构形状的焊头及相应的工艺参数。对于不同的焊接对象，焊头形式，焊头的材料 和形状及搅拌摩擦焊接的工艺都应不同。搅拌摩擦焊接的应用范围首先取决于焊接工具研制的进展情况，该焊接工具是搅拌摩擦焊方法的核心。这是因为:工具的形状决定了塑化焊缝金属受热、塑性流动和被顶锻的方式:工具的大小决定了焊缝大小; 工具的材料决定了摩擦加热的速度和工具的强度、以及工具的工作温度，后者最终决定了哪些材料能够进行 搅拌摩擦焊接。因此，为了焊接具有更高熔点的材料，研制具有足够高温强度和 耐磨性的工具材料至关重要。例如就钦

21、合金的搅拌摩擦焊接而言，主要问题是难 以找到适当的工具材料，将通常用于铝合金的焊接工具用于钦合金，工具会因工 作温度过高而失效。搅拌摩擦焊的焊速比熔化焊要慢，为了充分发挥搅拌摩擦焊的优点，提高焊接速度，有必要进行提高搅拌摩擦焊速度的研究。此外，随着搅拌摩擦焊应用的日益广泛，曲面零件的搅拌摩擦焊也是重要的研究科题之一。英国的TWI 已经研制成功可以焊接厚度为3-15mm ，长宽分别为4mx3.4m 板材的焊机，焊接速度可达1.2m/min。TWI 的合作伙伴之一，世界著名的焊机制造商ESAB ，为挪威的Marine Aluminuln 等生产了搅拌摩擦焊机，焊接了大量焊缝。Boeing 公司也斥

22、资几百万美元，请ESAB 公司为其设计生产大型低温容器。瑞典ESAB 公司按可证制造的专用焊接设备Super-Stir ，已在欧美航空、航天工艺中开始应用。目前，搅拌摩擦焊单面可焊厚度可达225mm。，双面焊厚度可达50mm 。用常规熔化焊方法不能焊接的2xxx 、7xxx 系列铝合金，采用搅拌摩擦焊接可以使其焊接性能大为改善。与亚弧焊相比，同一种铝合金的搅拌摩擦焊接头的强度 高15%20%，延伸率高一倍，断裂韧度高30%，接头区为细晶组织，焊缝中无气孔、裂纹等缺陷; 此外，工件焊后残余变形很小，焊缝中残余应力很低。这种方法的缺点是, 为了避免搅拌引起的振动力使工件偏离正确的装配方向，在施焊时

23、必须把工件刚性固定，从而使它的工艺柔性受到限制。国内己有数家研究单位对搅拌摩擦焊进行了实验研究，并在常规铝合金薄板连接方面取得了一定的进展。中南大学等单位已对铝合金厚板的搅拌摩擦焊进行了技术基础研究，对2000、6000、7000系列铝合金及超硬LC52铝合金进行了搅拌摩擦焊工艺实验，取得了显著的进展，实验效果良好。与传统摩擦焊一样，搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在 于，搅拌摩擦焊的焊接过程是由焊头的高速旋转运动和工件的相对直线移动、并 通过对焊接材料的高温摩擦与搅拌来完成焊接的。搅拌摩擦焊的工作原理如图1一1所示。在搅拌摩擦焊的焊接过程中，一个带有圆柱形突肩的特殊形状的焊头旋

24、转并缓慢插入两块对接板材之间的焊缝处。对接板材必须用压板夹紧，以防止对接接头面分开。焊头的长度应与焊缝的深度相近2l。 在旋转的焊头接触工件表面时快速摩擦产生的摩擦热使接触点材料的温度升高，强度降低。焊头在外加力的作用下不断顶锻和挤压接缝两边的材料，直至台肩紧密接触工件表面为止。这时，在旋转台肩和焊头产生的摩擦热和挤压力的联合作用下，工具台肩和焊头周围形成塑化层。在工件相对焊头移动或焊头相对工件移动的情况下，利用在焊针侧面和旋转 方向上产生的机械搅拌和顶锻作用，焊针的前表面把塑化的材料磨碎并移送到后 表面。因而，在焊针沿着接缝前进时，只是工具前头的对接接头表面被摩擦加热 至超塑性状态。结果，焊

25、针磨碎接缝，破碎氧化膜，搅拌和重组工具后方的磨碎 材料，工具后方的材料冷却后就形成固态焊缝。这种方法可以看作是一种利用固相小孔效应的焊接方法，在焊接过程中，焊 针所在处形成小孔，小孔在随后的焊接过程中又被填满20。在搅拌摩擦焊的焊接过程中，焊头的作用是对焊缝金属进行摩擦和搅拌; 台 肩则主要用于与工件表面摩擦生热，并用于防止塑性状态材料的溢出，同时可以 起到清除表面氧化膜的作用。对搅拌摩擦焊设备的要求主要表现在以下方面:焊接运动、刚度、抗震性、 压力与速度自动控制及工装。搅拌摩擦焊接的主要工艺特点为:1、保持母材的冶金性能，接头力学性能好由于搅拌摩擦焊接过程中接头部位不存在金属的熔化，故搅拌摩

26、擦焊是一种 固相焊接方法。以6061一T6高强度铝合金为例，该合金的熔化温度约为582，而焊缝中心的最高温度仅450左右，所以搅拌摩擦焊时不会产生与金属熔化有关的各种焊接缺陷，可以焊接用熔焊方法难于焊接的材料，如2000、7000系列的硬铝及超硬铝，并且可以在任意位置进行焊接。由于搅拌摩擦焊是一种固相焊接方法，在焊接铝合金时不会产生与熔化焊有 关的焊接缺陷，也不会降低焊接接头的性能，而且，焊缝金属的晶粒结构比母材 金属的更细小，焊缝金属的强度超过热影响区金属的强度，没有焊缝金属蒸发产 生的合金元属损失，不改变合金的成分，因此接头的力学性能好，并且在焊前和 焊接过程中对环境的污染小，焊前工件无须

27、进行严格的表面清理准备，焊接过程中的摩擦和搅拌可以去除焊件表面的氧化膜，焊接过程中也无烟尘和飞溅。2、捍后变形小、残余应力小在铝合金特别是薄板熔化焊接时，结构的平面外变形是非常明显的，无论是采用无变形焊接技术，还是采用焊后冷、热校形技术，都是非常麻烦的，而且增加了结构的制造成本。而搅拌摩擦焊则可以克服这些缺陷。这是由于搅拌摩擦焊的焊接温度较低，焊接后结构的变形量和残余应力比熔化焊的小得多。同时，由于不存在熔焊过程中接头部位大范围的热塑性变形过程，焊后接头的内应力小、变形小，基本可实现板件的低应力无变形焊接。3、不需要焊料搅拌摩擦焊通过工件与焊接工具之间的摩擦产生足够的热量将工件两部份连接在一起

28、，因此，在搅拌摩擦焊焊接过程中也不需要其它焊接消耗材料，如焊丝、焊条、焊剂、及保护气体等。唯一消耗的是焊接搅拌头。通常在铝合金焊接时，一个工具钢搅拌头可焊数百米长的焊缝。4、设备简单，效率高，适合大型结构的焊接搅拌摩擦焊还具有设备简单，操作方便，能量利用效率高(可以用总功率3KW 的设备焊接12.5mm 深单焊道焊缝的铝合金8 ，易于实现自动化，不需填充金属或保护气体，能全位置焊接，适用于多种接头形式和不需要特殊的焊接技能等一系列优点。由于搅拌摩擦焊仅仅是靠焊头旋转并移动，逐步实现整条焊缝的连接，所以比熔化焊甚至常规焊更节省能源。而且对挤压型材进行焊接，可制成大型结构，如船板、框架、平台等。5

29、、能实现不同材料的连接，可焊热裂纹敏感的材料搅拌摩擦焊能实现不同材料的焊接，如铸件和挤压件之间的连接，金属与非金属材料的连接等。由于搅拌摩擦焊消除了熔化焊所形成的裂纹，如液化裂纹或结晶裂纹，因此可以焊接热裂纹敏感的材料，如锌等。6、不需开专门的坡口，适合多种接头形式:对接、搭接和角接。原则上，搅拌摩擦焊可实现仰焊和俯焊:_可实现多种形式的焊接接头，如对接、角接、搭接接头(如图l 一2所示 ，甚至厚度变化的结构和多层材料的连接。 搅拌摩擦焊接头的金相组织显微简图如图1一3所示。焊核位于焊缝中心，内部组织是清晰的洋葱状，由一系列的椭圆组成。在焊缝的上部，焊核延伸到焊缝表面，比焊针大，比轴肩小，焊核

30、偶尔会延伸到焊件底部。焊核的外貌取决于焊针的形状、焊接参数和被焊材料的强度。 另外，通过对搅拌摩擦焊焊接接头的金相分析以及显微硬度分析可以发现，搅拌摩擦焊的焊缝组织可分为A 、B 、C 、D 四个区域(如图1一3所示:A区为母材区，无热影响也无热变形;B 区为热影响区(HAZ，该区域的材料因受热循环的影响，微观组织和力学性能均发生了变化，但没有发生塑性变形;C 区为热变形影响区(TMAZ，该区域材料已经产生了剧烈的塑性变形。就铝合金而言，再结晶区域和TMAZ 之间通常有明显的界限，但在其它没有热致相变的材料中，如在纯钛、钛合金、奥氏体不锈钢和铜中，似乎TMAZ 整体已再结晶化，产生了应变再结晶

31、，这可能使得HAZ/TMAZ的边界难以精确划分。D 为焊核（热变行影响区的一部分），焊核是最接近工具台肩的区域（很明显是TMAZ 的一部分），组织结构通常有较大变化。该区域可以看作是TMAZ 的一个单独的分区。在焊接接头的热影响区中，除了腐蚀反应比母材快一些外，其金相组织与母材没有多大区别。对于时效强化或加工硬化的合金，从焊接区传导的热量使热量影响区过时效或位错密度下降使焊后接头热影响区的硬度下降。在焊接接头的热变形影响区，焊接过程引起长晶粒的弯曲和轻微的重结晶，焊接热循环 使得此区的退火过程发生的早一些，而且时间较长，对于时效强化的合金，这一区域的硬度最低。从图1-4中显微组织塑变流程的走向

32、可以明显看出热影响区（TMAZ 的存在。 图1-4焊缝组织金像图片 图1-5（a ）焊缝硬度分布由图1一5所示的焊接接头硬度分布也能证明搅拌影响区的存在。6061一T6(Al一Mg 一Si 一Cu 为冷轧时效强化铝合金，温度的升高会造成材料硬度和强度的降低，但由于搅拌的影响，使得近邻焊缝区域的材料发生变形强化，从而形成热变形影响区(TMAZ。在图1一5中，硬度最低点至焊缝边界之间的区域即为热变形影响区(TMAZ。 焊核区的金相组织是明显的等轴晶粒，并且非常细小，晶粒尺寸取决于所焊合金及焊接过程，但普遍小于10级，焊核区的硬度比热变形影响区的要高，但比母材的硬度要低(如图1一5所示 。在高强度铝

33、合金的搅拌摩擦焊接中，用于反映热影响区(HAZ的显微组织演变的研究可参考特别是Grong ，Myh 和Bj mekiett 等34，35，39，43的文章。这些文章描述了在焊接过程中依次发生的分解、再次沉淀、和自然时效问题。硬化沉淀相的分解(例如:6000系列和7000系列中的或相 是焊接中强度损失的主要因素。同时，发生在热循环随后的冷却中的非硬化相(如:或相 的成长，导致了铝质母材中熔质的损耗。这又轮流地减少了潜在的硬化沉淀相，并在长时间的室温时效后，促成了焊缝HAZ 的部分回复区中一个长期软化区的形成。下面以6000系铝合金为例，来分别说明搅拌摩擦焊接中硬度分布、峰值温度与显微组织演变的关

34、系。1、硬度分布与显微组织演变的关系Yutakatt 等通过温度循环热模拟试验，对搅拌摩擦焊接过程中铝合金的HAZ 组织演变进行了研究。焊缝焊合区中沉淀相的分布与硬度的关系简图如图1一6所示。从图中可见，母材区中含有大量的针状沉淀相和少量的杆状沉淀相; 但在动态再结晶区中，仅针状沉淀相显著减少，而杆状沉淀相增加了，然而此处的硬度却比母材的要减少很多。由此可见硬度与显微组织演变的关系为:在焊合区中，随着显微硬度的降低，显微组织中的针状沉淀相显著减少40,41。 图1-6 沉淀相与硬度关系图2、峰值温度与显微组织演变的关系在Al 一Mg 一si 系的平衡相图中，有一个(Al+Mg2Si 的伪二元共

35、晶截面，该伪二元共晶成分为8.25%Mg，4.75%Si，其共晶温度为595。在搅拌摩擦焊接过程中，该Al 一Mg 2Si 伪二元共晶体的演变顺序为如下所示:过饱和的固溶体针状沉淀相相Mg 2Si在一些对AI 一Mg 一Si 合金的研究文献中4l，长度大约为2050nm的成形良好的针状沉淀相，又称为GP 区，或称为相。为了对焊合区显微组织的演变进行更深入的研究，并根据焊缝侧面硬度分布的特征，可将焊合区划分为四个区，如下图1一7所示，D 区为焊缝硬度大致相同的动态再结晶区;C 区为焊缝硬度最低的区域，即热变形影响区与动态再结晶区的交界处;B 区为热变形影响区中硬度适中的区域;A 区为硬度接近母材

36、的热影响区与母材区的交界处 图1一7焊缝铡面硬度分区图国外一些学者通过热模拟试验，并通过与图1一6中的沉淀相进行对照，揭示了焊缝中D 、C 、B 区中的沉淀相的演变顺序。在如下图1一8所示的热循环的作用下(其中cycle l为施加在D 区的焊接热循环:cyde 2为施加在C 区的焊接热循环;cyde 3为施加在D 区的焊接热循环 ，焊缝中的显微组织会经过以下几步演变:第一步，随着焊缝摩擦温度的上升，针状沉淀相(即相 的稳定性逐渐减小，如step 1所示; 第二步，随着摩擦温度的进一步上升，D 区和C 区中的针状沉淀相发生溶解，如step2-1所示，而B 区中还有一部分针状沉淀相没有发生溶解，如

37、step2-2所示; 第三步，D 区中温度超过了相的固溶温度，相溶解，如step3-1所示，但在C 区中的峰值温度要低于相的固溶温度，此处的相不会溶解，如step3-2所示，而在B 区中的部分针状沉淀相将转变成相，如step3-3所示。然而，这些区域中温度循环的峰值温度都低于-Mg 2Si 的固溶温度(79lK，或518 ，而且这些区域处于峰值温度的时间都很短，所以在热循环中重新生成的-Mg 2Si 会发生溶解。 图1一8焊缝组织演变关系图通过对照图1一6至图1一8中温度与针状沉淀相(即相 和杆状沉淀相的增减情况，可见:在搅拌摩擦焊接过程中，随着焊接温度的上升，焊合区中的针状沉淀相显著减少，杆

38、状沉淀相基本上没有减少，而硬度降低很快，这就揭示了针状沉淀相(即相 的分解是搅拌摩擦焊缝中强度损失的主要因素。搅拌摩擦焊过程实际上是一种热变形剪切过程。在该过程中，焊头与焊接工件的剧烈摩擦使工件局部温度升高，并引起强烈的塑性变形，焊合处的屈服强度降低至低于承受的剪切应力，焊头产生的流体静压力能够使材料从工具前边流向工具后边并形成固相接头。从理论上讲，如果焊头在被焊材料的塑化温度下具有足够的热强度，则所有能够受摩擦加热局部塑化的材料都能进行搅拌摩擦焊。即搅拌摩擦焊不只限于能够焊接铝合金，焊接铜合金、钦合金等也是可能的。搅拌摩擦焊的应用范围首先取决于焊接工具研制的进展情况，该焊接工具是搅拌摩擦焊方

39、法的核心。工具的形状决定塑化焊缝金属受热、塑性流动和被顶锻的方式; 工具的大小决定了焊缝大小; 工具的材料决定了摩擦加热的速度和工具的强度、工具温度，后者最终决定了哪些材料能够进行搅拌摩擦焊接。因而，为了焊接具有更高熔点的材料，研制具有足够热强度和耐磨性的工具材料至关重要。例如就钦合金的搅拌摩擦焊而言，主要问题是难以找到适当的工具材料，因为将通常用于铝合金的工具用于钦合金，工具会因高的工作温度而失效。搅拌摩擦焊接头的力学性能(包括断裂、疲劳、腐蚀性能 、冶金性能、破坏机理、模拟试验以及无损检测等的研究是推广应用搅拌摩擦焊的基础，对其作更加深入细致的研究是十分必要的。搅拌摩擦焊的焊速比溶化焊的慢

40、，为了充分发挥搅拌摩擦焊的优点，提高焊接速度，有必要进行提高搅拌摩擦焊速度的研究。此外，随着搅拌摩擦焊应用的日益广泛，曲面零件的搅拌摩擦焊也是重要的研究科题之一。搅拌摩擦焊的应用时间不长，理论研究尚不成熟。但随着搅拌摩擦焊技术的不断发展和日臻完善，其应用必将愈来愈广。1.6本论文的目的、意义随着现代交通的高速发展, 对交通工具中应用的材料性能要求越来越高. 铝合金制品因其质轻、耐蚀性好、拉伸性能好等特点, 可实现其型材的大型宽体化. 为此, 铝合金在高速列车车体中的应用已成为当今世界各国研究的热点。6005铝合金因其热挤压成型性、耐蚀性、焊接性能均非常优异且强度可满足高速列车用材料的要求，日本

41、、西欧等国广泛采用6005铝合金制造高速列车车体。我国许多科研工作者也在该领域开展了大量的研究工作。目前,6005铝合金大型挤压型材已研制成功并投入生产, 逐步成为高速列车用大型铝合金型材的主要用材之一。随着我国铁路交通事业的发展,6005合金必将有广泛的应用前景. 虽然6005铝合金有着良好的综合性能, 但其尚无完善的工艺技术，还需要实验研究，进一步制定合理的工艺技术，以满足以后的生产。第2章 试验材料设备及试验方法本论文是对高速客车车体6005铝合金搅拌摩擦焊工艺试验研究，6005属于Al-Mg-Si 系合金, 它具有中等强度, 良好的塑性、抗蚀性、焊接性及加工成形性, 综合性能优良。60

42、05合金主要用于制造焊接结构件、高塑性和高抗蚀性的机械零件, 近年来该合金厚板成为制造高速列车车头的重要材料。其化学成分符合标准GB3190-96, 见表2-1。其力学性能见表2-2。6005板材尺寸为300mm ×150mm ×6mm 。表2-1 试验材料的化学成分（） 表2-2 实验材料的力学性能 用搅拌摩擦焊机对6005铝合金板材进行焊接，并对已经焊好的板材进行拉伸弯曲冲击残余应力及微型剪切的测试，研究板材的机械性能，再对试样进行金相分析，并测其维氏硬度值，进行微观分析，得出相应的结论。（1）本试验所用板材和设备由西南交通大学提供，在西南交通大学焊接试验室完成焊接，如图2-1所示。设备型号为JBM01-06。整套设备系统包括精密主轴单元、三坐标数控移动工作台、平移气泵、机头滑枕、夹具先进的控制、记录系统等组成。该设备可以焊接厚度为312mm所有牌号的铝合金板材，以及铝基复合材料，锌及锌合金，铜及铜合金，镁及镁合金，铅及铅合金，钛及钛合金，碳铜及不锈钢等，还可以完成不同材料的焊接，能实现对接、丁字搭接等多种接头方式，并大大提高焊接接头的力学性能，排除了熔焊产生缺陷的可能性。 （2）用于测拉伸性能的试验设备是