2024鋁合金攪拌摩擦焊管材塑性變形行為研究.pdf

1、航空航天領(lǐng)域結(jié)構(gòu)輕量化的發(fā)展,對(duì)薄壁構(gòu)件的需求越來(lái)越多,鋁合金異形截面薄壁構(gòu)件在飛機(jī)及航天器結(jié)構(gòu)制造中的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。此類構(gòu)件形狀復(fù)雜,徑厚比大,對(duì)管材尺寸和成形性能提出了新的要求。采用傳統(tǒng)鋁合金管材制造方法,很難獲得大直徑薄壁鋁合金管材,因此迫切需要研發(fā)面向內(nèi)高壓成形的薄壁鋁合金管材制造技術(shù)。為了解決該難題,本文提出了鋁合金管材攪拌摩擦焊(FSW)旋壓復(fù)合成形工藝。以2024鋁合金為研究對(duì)象,揭示了FSW管材制備過(guò)程中組織演變規(guī)律

2、與塑性變形行為,給出了螺旋焊縫管材內(nèi)高壓成形特征及壁厚分布規(guī)律,為解決薄壁鋁合金管材制備及后續(xù)成形的難題提供新方法和理論依據(jù)。
　　采用FSW板材接頭,研究了接頭組織及塑性變形行為,獲得了熱處理對(duì)接頭延伸率的影響規(guī)律。焊態(tài)接頭組織性能差異,導(dǎo)致變形不均勻,延伸率下降44％。熱處理可以改善接頭變形均勻性,提高延伸率。接頭延伸率隨熱處理溫度升高,先增加后降低。300℃時(shí),達(dá)到最高值,為焊態(tài)的1.6倍。
　　通過(guò)鋁合金管材FSW旋

3、壓成形實(shí)驗(yàn),給出了旋壓減薄率對(duì)管材組織及力學(xué)性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明:旋壓對(duì)母材晶粒細(xì)化比焊縫更明顯,減薄率達(dá)70%時(shí),母材晶粒從200μm降至3.5μm。旋壓減薄率越大,管材晶粒細(xì)化效果越顯著,管材強(qiáng)度也越高。
　　通過(guò)熱處理及自由脹形實(shí)驗(yàn),揭示了加熱溫度對(duì)管材組織及脹形性能的影響規(guī)律。300℃時(shí),旋態(tài)管材變形組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小等軸晶和大角度晶界的再結(jié)晶組織,焊縫晶粒約為1.7μm,母材晶粒約為4μm,管材組織均勻性顯著改善。350

4、-400℃時(shí),管材晶粒異常長(zhǎng)大,并沿厚度分層,外層晶粒為內(nèi)層的4-6倍。管材膨脹率隨溫度升高,先增加后降低。300℃管材膨脹率最高,為旋態(tài)的2.1倍。熱處理控制管材組織穩(wěn)定性,決定了管材成形性能。
　　通過(guò)自由脹形實(shí)驗(yàn),獲得了焊縫強(qiáng)度匹配對(duì)FSW管材環(huán)向壁厚分布的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)等組配管材距焊縫圓心角30°和180°母材壁厚減薄嚴(yán)重,最大減薄為20.6%,這與高組配管材壁厚分布規(guī)律類似;低組配管材,破裂于焊縫,最大減薄為23.7%,

5、焊縫減薄明顯高于母材。塑性理論分析表明:焊縫強(qiáng)度差異,導(dǎo)致高組配管材截面焊縫相鄰及對(duì)向母材曲率半徑較大,等效應(yīng)力高于其他母材,從而壁厚減薄嚴(yán)重。
　　通過(guò)變徑管內(nèi)高壓成形實(shí)驗(yàn),獲得了螺旋焊縫管材壁厚減薄規(guī)律。發(fā)現(xiàn)管材軸向壁厚減薄呈M形:距對(duì)稱面1/4膨脹區(qū)長(zhǎng)度處減薄嚴(yán)重,而兩端及對(duì)稱面減薄較小。管材環(huán)向壁厚減薄規(guī)律與自由脹形管材類似,但壁厚分布更均勻。這主要是通過(guò)預(yù)成形,使焊縫相鄰母材先貼模,緩解過(guò)度減薄。
　　利用數(shù)值模擬