1.开题报告

C H A N G C H U N I N S T I T U T E O F T E C H N O L O G Y

开题报告

设计题目： 7075-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊

研究

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１、课题论证

1.1课题研究的目的与意义

7000系列的铝合金，由于其高的比强度、比模量、断裂韧度、疲劳强度和耐腐蚀性，在航空、航天、高速列车、高速舰船等工业领域得到了越来越广泛的应用。但同时作为时效强化型铝合金，由于合金中强化相的类型、分布及其在焊接过程中的溶解和析出行为，使得该类合金采用传统的熔化焊(目前主要为MIG焊)后焊缝中容易出现焊接变形和气孔，残余应力较大，且对应力腐蚀敏感，不能充分发挥材料的性能。因此，探索新的焊接方法在7000系铝合金构件材料中的应用，是非常必要和非常迫切的。

搅拌摩擦焊(friction stir welding，简称FSW)是由英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年提出的一种固态连接方法[2]，于1993年和1995年在世界许多国家申请了知识产权保护。此技术原理简单，控制参数少，易于自动化，可将焊接过程中的人为因素降到最低。搅拌摩擦焊技术与传统的熔焊相比，具有连接温度低、焊后残余应力小、接头性能高等一系列优点，在航空航天、造船、汽车等领域，尤其是高强铝合金的连接方面具有广阔的应用前景。可以说，搅拌摩擦焊的诞生从根本上解决了高强铝合金的难焊问题。

7075铝合金作为一种Al-Zn-Mg-C u系高强铝合金，由于具有比强度高、韧性好以及抗应力腐蚀性能优良等优点，逐渐成为搅拌摩擦焊的重点研究对象。

随着对搅拌摩擦焊的进一步研究，其工艺参数对焊接质量影响的探究也越来越深入。当前，国外针对搅拌摩擦焊的研究主要集中在焊接机理、接头微观组织结构、力学性能及搅拌头磨损等方面的研究。铝合金搅拌摩擦焊接实验表明焊核区发生动态再结晶，由非常细小（5-10μm）的等轴晶组成，热机械影响区晶粒有明显被拉长迹象，且焊后热处理对焊缝机械性能影响不大，而热影响区晶粒相似于母材；焊接接头的力学性能与焊接工艺参数有关。国内对搅拌摩擦焊焊缝组织、性能方面的研究日益增多，并得到了一定的成就。尽管对搅拌摩擦焊技术做了大量的研究，然而对其基本原理及焊接机理仍未得到统一定论，焊接过程中金属材料的流动性、搅拌头的磨损、显微组织的稳定性、异种材料的焊接、焊接最佳工艺参数和焊接缺陷成因等方面还有待于进一步研究及完善。

本文对7075-T6铝合金搅拌摩擦焊的组织和性能进行研究，着重对影响焊接接头组织和性能的因素和机制进行分析和探讨，以期为搅拌摩擦焊在我国飞机铝合金结构制造方面的应用提供理论和试验依据[3]。

1.2文献综述（相关课题国内外研究的现状）

在20世纪60年代，美国以7075为基础，增加了Zn、Cu含量和Cu/Mg比值来提高强度，用添加Zr代替Cr来克服了淬火敏感性问题和调整晶粒尺寸，开发出了强度、断裂韧性和抗应力腐蚀性能较高的7050合金，并于1971年在美国铝业协会登记注册。

我国从60年代开始至今，也相继对超高强铝合金进行了深入研究，并开发和生产了适合我国国情的AI-Zn-Mg-Cu系合金，如与7075相近的7A04(原LC9)。但是，我国超高强铝合金研究有许多属于仿制性质，自行开发合金较少，只有加工工艺和部分热处理状态由于受专利保护，才具有真正自己的知识产权。我国曾经仿制研究的AI-Zn-Mg-Cu系合金有：7075、7022、7001、7175、7475、7050、7150、7055、B95、B96ų、B96u-1、B96u-3等。我国超高强铝合金研究水平基本跟上了世界研究的步伐，许多研究成果达到了国外先进水平，并具备了批量生产能力。

7075是一种7XXX系列(Al-Zn-Mg-Cu系)高强度可热处理铝合金，具有高的比强度、高韧性以及优异的抗剥落腐蚀、抗应力腐蚀性能，合金中通常主要含有Al3Zr相，η系列时效相和各种夹杂相。常用于飞机结构件、中厚板挤压件、自由锻打件与模锻件。7075铝合金的主要化学成分及力学性能如表1、表2所示。其中7075-T6为固溶处理后稳定化，为了消除固溶处理后的残余应力而进行拉伸处理的高强度变形铝合金。

表17075-T6铝合金的化学成分

Alloy 7075-T6 %(质量分数)

Si Fe Cu Mn Mg Zn Al

0.12 0.15 2.0~2.6 0.10 1.9~2.6 6.0 余量

表2 7075-T6铝合金的力学性能

σb/MPa σ0.2/MPa δ/% HV

510 455 10 135 近年来，随着国内外飞机制造业突飞猛进的发展，减轻飞机自重，提高飞行速度，寻求代替钢铁部件的铝合金材料，已成为铝加工业和飞机制造业面临的重要课题。然而,由于该铝合金导热性好、流动性差，采用传统弧焊时焊缝易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷，严重影响了7050铝合金构件性能及其在工业中的应用。

用高强铝合金制造的各种零部件主要是通过焊接成形的，因此焊接性能是其重要的工艺性能指标。高强铝合金采用MIG、TIG等熔焊方法时，在焊缝处形成铸态组织并易出现气孔和较大焊接变形，残余应力较大，抗冲击与抗应力腐蚀性能也较差，而且存在焊接裂纹倾向大和焊接接头软化区问题。此外，采用MIG、TIG焊接铝合金时，由于表面致密的氧化膜熔点很高，需要在焊前严格清除表面氧化膜后才可以进行焊接。

20世纪90年代初，英国焊接研究所发明了一种新型的固相焊接方法-搅拌摩擦焊(FSW)并得到了广泛的关注和应用。与传统熔焊相比，FSW的接头具有晶粒细小以及疲劳性能、拉伸性能和弯曲性能良好的优点，可以较好的解决铝合金熔化焊接的难点，避免其熔焊时的各种缺陷，焊缝成形较好，特别适用于铝合金的焊接。

搅拌摩擦焊以其高效、节能、焊缝缺陷率低以及焊接变形小等优点，已经广泛应用于多种铝合金的焊接,但在7xxx系列铝合金中的应用还相对有限。利用搅拌摩擦[1]焊接方法对7075-T6铝合金进行了焊接,重点研究了焊接参数对接头微观组织和力学性能的影响，为7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接技术的实际应用奠定基础。

1.3课题研究的内容、总体方案及技术路线、进度安排等

1.3.1 研究内容

(1)搅拌摩擦焊焊接工艺参数对微观组织的影响；

(2)旋转速度与性能的关系；

(3)焊接速度与性能的关系；

(4)工艺参数对焊缝表面及力学性能的影响；

(5)应力模拟。

1.3.2 总体方案及技术路线

1)确定7075-T6铝合金板厚度；

2)对7075-T6铝合金试件进行焊前清理(用丙酮将试板表面擦拭干净)；

3)制备7075-T6铝合金标准试件(采用对接形式)；

4)根据试件的特征合理的选择搅拌摩擦焊的设备和搅拌头；

5)在焊接过程中选择最佳的焊接参数；

6)以最佳参数对标准试件进行焊接；

7)对焊件进行力学性能及组织、性能分析。

1.3.3 进度安排