6082T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的研究.pdf-资料库

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北京交通大学硕士学位论文6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的研究姓名：孙红梅申请学位级别：硕士专业：材料加工工程指导教师：徐向阳;董春林20090601

中文摘要摘要：轻量化是提高高速列车整体性能的关键，采用铝合金车体具有明显的轻量化效果。目前，铝合金车体主要采用熔化焊的方法制造，尚存在焊接接头严重软化、疲劳和冲击性能差、焊接变形大等问题。搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术，其焊接接头性能优异，应力和变形小，国外已将其用于高速列车车体的制造，国内在车体上的应用尚属空白。本文以高速列车车体为应用背景，对6082．T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能展开研究，从组织、硬度、拉伸性能和疲劳性能等方面比较了搅拌摩擦焊与氩弧焊的差异，讨论了FSW接头组织的形成机理，对拉伸断口和疲劳断口形貌进行了分析，明确了其断裂机制。研究结果表明：FSW接头焊核区由于动态再结晶具有细小的等轴晶粒，比MIG接头焊缝晶粒细小，焊接热影响区窄。FSW接头硬度高于MIG焊，表明FSW接头的软化程度减轻。FSW接头的拉伸性能优于MIG焊接头，其中抗拉强度提高5％，延伸率提高50％。FSW接头拉伸断口的韧窝数量比MIG焊接头多，尺寸比MIG焊接头大而深。FSW接头的疲劳性能明显高于MIG焊，疲劳循环次数为2x106时，FSW的疲劳强度是84．5MPa，比MIG提高24．4％。FSW和MIG焊疲劳断口上均存在疲劳条带特征，但FSW疲劳条带的间距比MIG小。关键词：6082-T6铝合金；搅拌摩擦焊；组织；性能；断口分类号：TG457：TG453

ABSTRACTABSTRACT：Lightweightingofhigh-speedtrainisoneofthemosteffectivemethodstoimprovetlle打overallperformancebyusingaluminumrollingstock．Atpresent，thealuminumrollingstockismainlymanufacturedbyMIGwelding．Buttherearemanyproblemssuchasseriouslysofteningintheweldedjoints，poorfatigueandimpactproperties，largeweldingdeformationandSOon．Frictionstirwelding(FSW)usedinthispaperisaninnovativesolidphaseweldingmethod；jointsweldedbythismethodhavegoodproperties，lowstressanddeformation．Thistechnologyhasbeenusedforthemanufacturingofaluminumrollingstockabroad，butdomesticapplicationsareblank．Aimingtothefabricatingofthealuminumalloyrollingstock，inthisPaperthemicrostmctureandpropertiesoffrictionstirwelded6082-T6aluminumalloyWasinvestigated，thedifferencesbetweenFSWandMIGjointhavebeencomparedfromtherespectofmicrostructure，hardness，tensilebehaviorandfatigueperformance，andthemicrostructureformationmechanismofFSWjointhasbeendiscussed，atthesametimethefracturemorphologyofthetensionandfatigueisanalyzed，fracturemechanismofthejointshasbeendefined．Theresultsareshowedasfollows：ThedynamicrecrystalizationproducesfinegraininFSWjoints．MorefinegrainandnarrowerHAZwerefoundinfrictionstirweldjoints．HardnessofFSWjointishigherthanmatofMIGjoint,whichshowslesssoftening．TensilepropertiesofFSWjointsarebetterthanMIGwelding,averagetensilestrengthofFSWjointishigherthanMIGjointby5percent，andelongationishigherby50percent．AnalysisoftensilefractureshowsthatthenumberofdimplesinFSWjointismorethaninMIGjoint,andthesizeislargeranddeeper．ItWasshownthatthefatiguestrengthofFSWjointsWasobviouslyhigherthanthatofMIGjoints，correspondingtofatiguecyclenumberof2xl00，withsurvivalrateof95％，fatiguestrengthcharacteristicvaluesinFSWjointsare84．5MPa,thecharacteristicvalueinFSWjointishigherthaninMIGjointby24。4％．TherearecharacteristicsoffatiguestriationinbothFSWjointandMIGjoint，butthespacebetweenfatiguestriationsinFSWjointiSlOWerthanthatofMIGjoint．KEYWORDS：6082-T6aluminumalloy；Frictionstirwelding；Microstructure；Prope坝,MorphologyCLASSNo：TG457；TG453

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：刭I观格签字日期：矽7年7月f19

学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，提供阅览服务，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：虱、钆艳签字日期：q,o。f年7月6El导师签名：亏象匈静签字日期：五哆年7月6日

致谢本文是在徐向阳副教授的悉心指导下完成的。导师渊博的学识和严谨的治学态度使我受益匪浅。导师不仅在学习与工作中对我耐心指导和严格要求，还在生活上给予了关怀与帮助，在此谨向导师表示衷心的谢意。中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所的董春林高工在毕业设计过程中给予了诸多指导和帮助，董老师勤恳的工作作风、锐意进取的工作精神以及对科学的执着追求给我留下了深刻的印象，在此深表感谢。感谢中国航空工业集团公司北京航空制造工程研究所的佟建华工程师、李光工程师和张健在试验方面给予的热情支持和帮助。感谢在试验和毕业论文写作过程中给予我极大帮助的刘元富和李卫京等老师。这些老师在工作中为我提出了宝贵的意见，使我学习了很多知识，提高了自己的能力，同时也给了我很多无私的帮助，使我的毕业论文能够顺利完成，在此表示衷心的感谢。在试验和论文工作中，王勇、詹文良、于大海、钱尊堂等同学给了我很大的帮助，非常感谢!非常感谢我的家人，你们一直是我的坚强后盾和精神支柱，在我的漫漫求学路中给予我支持和关心，使我一步步地成长、进步，谢谢你们!最后，向所有曾在学习、生活和工作中给予我关心、支持和帮助的同学和朋友们表示衷心的感谢!

1绪论1．1课题的研究背景及意义1．1．1引言在现代旅客运输系统中，高速铁路得到了快速的发展，并受到了世人的青睐。它主要的优点在于既能够缩短旅行时间，也能够满足旅客对舒适性的要求。与航空和高速公路相比，它还有节约能源和减少环境污染的优势，既有利于改善生态环境，也符合可持续发展的要求。高速铁路的兴起和发展是社会经济发展的必然结果，也是解决大城市间交通运输问题的必然选择。1964年10月，日本率先建成世界上第一条高速铁路——东海道新干线【l】。目前全世界已投入运行和正在修建的高速铁路里程超过1．4万公里，继日本之后，法国、英国、德国、意大利和美国等发达国家也相继修建了高速铁路【21，最高试验速度达到了574．8km／ht引。在高速铁路技术中高速列车占有十分重要的地位。高速列车以其启动快、速度高、安全舒适、振动与噪声小等优点成为未来列车发展的主流方向。列车运行速度提高后，运行阻力增大、轮轨间作用力和噪声剧增。减轻列车质量对提高列车运行速度、减少其运行阻力、改善轮轨间作用力以及延长车辆和线路的寿命都具有重要的意义141，因此轻量化成为国内外运载工具设计和使用者长期追求的目标。高速列车的车体系统占整个列车质量的一半以上，高速列车轻量化的关键是车体的轻量化【51。车体实现轻量化有两个途径：一是合理优化结构设计，二是新材料的应用【4】。合理优化结构设计是减轻质量的有效措施。但经验证明，通过优化计算设计车体结构质量一般可减轻10％[41，其相对减重率还达不到高速列车的要求。因此，新材料的应用提上了议程，新材料的应用能最大限度的降低轴重，减小轮轨问作用力，降低噪声，延长车辆和线路的寿命，对实现列车高速化具有重要意义【41。铝合金因其密度小、比强度高、耐腐蚀、成型性能优良及可实现其型材的大型宽体化等特点161，在高速列车车体中得到越来越广泛的应用，比如列车车厢、壁板以及底板等均可采用铝合金材料制造。铝合金车体的优势主要体现在：(1)车体自重大大减轻。在强度、刚度满足安全要求的同时，使用铝合金车体

的重量，一般来说比钢质车体轻30％左右川。(2)运行性能好，节省牵引能耗。由于车辆重量减轻，可提高机车加速性能、改善机车动力性能。(3)密封性能提高，由于铝合金车体大量采用型材结构，型材内可封装隔音材料，使列车运行过程中的噪音和平稳性比钢车体明显改善，提高了乘车舒适性嗍。(4)费用降低，由于铝合金材料有良好的耐腐蚀性，不需涂装，且使用寿命长，维护费用、运行费用降低。(5)便于制造。随着通长、大型复杂断面中空型材的开发以及焊接技术的进步，使铝合金制造技术日趋成熟，制造工艺大大简化，制造所需工作量较钢质车体大大较dd9]。(6)安全性高。车体的安全性是车体材料的重要指标，铝合金车轻量化水平较高，减轻了客车质量，减少了制动距离和运输能耗。同时，铝合金吸收冲击能量强，是具有同样断面和强度的钢材的3倍，因此，在发生事故时，更能保证人员安全，且铝合金无低温脆性lloj。(7)回收再利用性好。因铝合金的熔点低，废料回炉重熔所需能量少，所以铝合金材料是可最大限度回收利用的材料。由以上分析可以看出，铝合金所具有的这些特性对于高速列车的使用条件是非常适合的。1．1．2铝合金车体国内外应用现状1896年，法国国铁最先把铝合金材料用于铁道客车的窗框上。1905年，英国的兰克夏和约克夏铁路也采用铝合金制作电动车的外墙板和内部装饰材料【l¨。美国在1923年到1932年间，有近700辆电动车及客车的外墙板和车项等采用了铝合金。1952年伦敦地铁、1954年加拿大多伦多地铁的车辆均采用了铝合金。60年代以后，德国科隆、波恩铁路的城郊车以及该国的客车也相继实现了铝合金化【12】。1962年，日本从德国引进了铝合金新技术，在山阳电铁首先实现了铝合金车【11】。德国高速列车ICE2、ICE2．2、拖车ICEl和法国TGV．Duplex，均采用大型铝合金板制作车体。它们均为按照80年代先进技术设计的，采用大型挤压板组成的双层薄壳结构【111。日本的高速铁路运输已达到较高水平，较早开始使用铝合金制造车辆。新的STAR21，Nozomi300、WIN500、300X系客车等均为铝制。结构原理与采用大型挤压型材的ICV和TGV高速客车类似。由此可以看出，在世界范围内，生产制造铝合金车体是铁路运输事业和城市2

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