第３６卷第６期 ２０１３年 ｌ１月 兵器材料科学与工程 ０ＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥ弛 Ｌ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩ［ＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ－３６ Ｎｏ．６ ＮＯＶ．．２０１３ 网络出版时间：２０１３／１１／１ １０：２５：０１ 网络出版＇Ａ￥￣．＂ｈｔｔｐ．＇／／ｗｗｗｘｎｋｉ．ｎｃ ｃｍ ｅ￡ａｉ ３．１３３１．ＴＪ．２０１３１１０１．１０２５．００１．ｈｔｍｌ 基于超声搅拌摩擦焊的铝合金接头性能研究 夏罗生 （张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界４２７０００） 摘要分别采用普通搅拌摩擦焊和超声搅拌摩擦焊对７０２２铝合金进行焊接实验，并对焊接接头的力学特性、微观组织 和断１３形貌进行比较。结果表明：超声搅拌摩擦焊焊接接头的平均抗拉强度、屈服强度都比普通搅拌摩擦焊焊接接头有 所提高；焊缝区的晶粒尺寸比普通搅拌摩擦焊晶粒更细小，其组织更均匀、致密。超声振动能量被成功注入到搅拌摩擦 焊的焊缝区，在热效应、体积效应和振动效应综合作用下，焊缝区晶体位错移动加强、热塑化加剧，流动阻力减小，中底部 热量增加，促使晶粒细化和组织均匀化，从而提高了综合力学性能。 关键词搅拌摩擦焊；超声振动；力学特性；金相组织 中图分类号ＴＣ，４５３．９ 文献标志码Ａ 文章编号１００４－２４４Ｘ（２０１３）０６－００２２－０３ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ＦＳＷ ＸＩＡ Ｌｕｏｓｈｅｎｇ （Ｚｈａｎｇｊｉａｊｉｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇ，Ｚｈａｎｇｊｉａｊｉｅ ４２７０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｌｍｔｒａｅｔ Ｃｏｍｍｏｎ ＦＳＷ ａｎｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ＦＳＷ ｗｅｌｄｉｎｇ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ｗｅｒｅ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｏｎ ７０２２ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ。ａｎｄ曲ｉｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｅｄ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｈｅｔ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ＦＳＷ ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ａｒｅ ｈｉｇｈｅｒ ｈａｔｎ ｔｈｏｓｅ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ＦＳＷ ｗｅｌｄｉｎｇ ｊｏｉｎｔ．Ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｉｎ ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ ｉｓ ｆｉｎｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ｃｏｍｍｏｎ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ，ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｅｖｅｎ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐａｃｔ，．Ｔｈｉｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｕｌｒｔａｓｏｎｉｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｉｓ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ ｉｎｊｅｃｔｅｄ ｔｏ ＦＳＷ ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ。ｃｒｙｓｔｌａ ｄｉｓｌｏｃａｔｉｏｎ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｗｅｌｄ ｚｏｎｅ ｂｅｃｏｍｅｓ ｍｏｒｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｅｄ，ｔｈｅｒｍａｌ ｐｌａｓｔｉｃｉｚｉｎｇ ｉｎｔｅｎｓｉｆｉｅｓ，ｆｌｏｗ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｄｅｃｒｅａｓｅｓ ａｎｄ ｈｅ ｂｏｔｔｔｏｍ ｈｅａｔ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｂｙ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔ，ｖｏｌｕｍｅ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｕｅ ｔｏ ｇｒａｉｎ ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｈｏｍｏｇｅｎｉｚａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＦＳＷ；ｕｌｔｒｓｏｎｉａｃ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ；ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｙ；ｍｃｔｌａｌｏｇｒａｐｈｔｉｃ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ７０２２航空铝合金属于Ａｌ—ｇｎ．一Ｍｇ－Ｃｕ系（７ｘｘｘ系） 而使焊接接头力学特性降低。为此，将超声振动与搅 拌摩擦焊结合在一起，通过超声振动装置将超声振动 能注入焊缝区深层，利用超声振动的体积效应和强振 动效应来减小金属塑性流变阻力，减小残余应力，改 善力学特性，消除焊接不充分或组织疏松等缺陷 “ 。 铝合金，其比强度超过高强度钢、比模量接近于高强 度钢，但密度仅为钢的１／３。若采用表面热处理技术， 其强度还可大幅提高，因此常被用作飞机结构框架零 件材料以减轻飞机的质量 。 搅拌摩擦焊技术是一种新的固相连接技术，特别 适用于低熔点、高强度合金的连接。具有无飞溅、无 烟尘、不需要添加焊丝及保护气体、污染小、节省能 １ 实验 １．１材料 源、焊后残余应力及变形小等优点，是一种可持续发 展的绿色环保清洁技术，已在高速列车、航空飞行器、 舰船快艇、汽车等结构件的焊接中显示出良好的技术 和经济效益ｂ圳。搅拌摩擦焊时，搅拌头轴肩与被焊 件上表面的摩擦热是焊接的主要热量，致使焊接区表 层温度高及底层温度低，焊缝区温度场呈上高下低的 “浅漏斗状”。焊缝表层温度高，金属流动性强，焊缝 底层温度低，其流动性弱，易出现上下组织不均匀，从 试验用材料是热处理状态为Ｔ６（固溶处理后再进 行人工时效）的既可变形强化又可热处理强化的７０２２ 高强铝合金轧制板材，被焊接件尺寸为２００ ｍｍｘｌ００ ｍｍｘ １０ ｍｍ，其主要化学成分的质量分数为：５．４３％ Ｚｎ，２．５２％Ｍｇ，１．４３％Ｃｕ，Ｏ．４１％Ｆｅ，０．３５％Ｓｉ，０．１５％ ｃｒ，０．１％Ｍｎ，Ａ１ Ｂａｌ。抗拉强度Ｏ＇ｂ为５９８ ＭＰａ，屈服强 度Ｏｒ０．：为５３０ ＭＰａ，硬度为１６６．．２ＨＶＯ．２，密度为２．７ ｇ／ ｃｍ ，断后伸长率Ａ为７．１４％。 收稿日期：２０１３—０４—０２；修回日期：２０１３—０６．－０５ 基金项目：湖南省教育厅自然科学研究项目（项目编号：１ＩＣ１２９０） 作者简介：夏罗生，男，硕士，副教授；主要从事搅拌摩擦焊技术、新能源材料研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｙｘｉａｌｕｏｓｈｅｎｇ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ。 第３６卷第６期 兵器材料科学与工程 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．６ ２０１３年 ｌ１月 ＯＲＤＮＡＮＣＥ ＭＡＴＥＲＩＡＬ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｎｏｖ．．２Ｏｌ３ 网络出版时间：２０１３／１１／４ １１：０１：１１ 网络出版地址．ｂｔｔｐ：／＾ ｎｖｃＩｌｌ（ｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉＩ／３３．１３３１．ＴＪ．２０１３１１０４．１１０１．００１．ｈｔｍｌ 泡沫铝填充结构防撞梁耐撞性仿真研究 徐平，高鑫，宋海，李仲 （辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新１ ２３０００） 摘要以某小型轿车车门的空管防撞梁为研究对象，依据该车门防撞梁结构设计出泡沫铝填充防撞梁结构，应用有限 元ＨＹＰＥＲＧＲＡＰＨ软件分别对原型防撞梁及泡沫铝填充防撞梁进行静载、动载作用下应力一应变响应情况和吸能性进 行模拟仿真，并对其分析结果进行比较。结果表明，泡沫铝填充结构防撞梁相比原型防撞梁屈服力大，吸能性高，在提高 汽车的安全性方面具有明显优势。 关键词泡沫铝；车门防撞梁；耐撞性；模拟仿真 中图分类号ＴＰ３９１．９ 文献标志码Ａ 文章编号１００４—２４４Ｘ（２０１３）０６—００２５—０４ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ ｏｆｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｔｉ．ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ ｉｆｌｅｄ ｗｉｔｈ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ＸＵ Ｐｉｎｇ，ＧＡＯ Ｘｉｎ，ＳＯＮＧ Ｈａｉ，ＬＩ Ｚｈｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｘｉｎ １２３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｈｏｌｌｏｗ ｐｉｐｅ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ ｏｆ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｙｐｅ ｏｆ ｓｍａｌｌ ｃａｒ ｄｏｏｒ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｂｊｅｃｔ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｉｔｓ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｆｉｌｌｅｄ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ＨＹＰＥＲＧＲＡＰＨ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ａｄｏｐｔｅｄ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎｄ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｂｅａｍ ａｎｄ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｆｉｌｌｅｄ ｂｅａｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｓｔａｔｉｃ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｌｏａｄ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ ｆｉｌｌｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｎｔｉ－ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ ｈａｓ ｈｉｇｈｅｒ ｙｉｅｌｄ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｂｅｔｔｅｒ ｅｎｅｒｇｙ ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅｒｔｙ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ，ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｏｂｖｉｏｕｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｉｎ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ Ｃａｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｆｏａｍ；ａｎｔｉ．ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｂｅａｍ；ｃｒａｓｈｗｏｒｔｈｉｎｅｓｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 随着汽车工业的发展，汽车数量激增，交通事故 汽车车门中配有的防撞梁多为空心方管，其吸能性具 频发，汽车安全问题逐渐引起人们的广泛关注ｎ 。目 有一定的限制。泡沫铝是近年来发展迅速的一种新 前，安全性设计已成为现代汽车工业领域的研究热 型结构功能一体化的材料，具有轻质、高比强、吸声、 点，因此，汽车主要结构的耐撞性显得尤为重要 。车 隔热、阻燃、减振、阻尼、吸收冲击等优异性能ｂ 。因此 门防撞梁是汽车抵挡侧面碰撞的主要部件之一，目前 国内外掀起以泡沫铝为填充体形成填充结构作为汽 收稿日期：２０１３—０４—２６；修回日期：２０１３—０６—１９ 基金项目：辽宁省教育厅科学技术研究（重点实验室建设）资助项目（２００８Ｓ１０６）；辽宁省教育厅科学技术研究（创新团队）资助项目（ＬＴ２０１００４５） 作者简介：徐平，男，博士，博士生导师，教授；主要从事机械制造中检测的自动化与智能化、先进制造技术、新材料性能与应用等方面的研究。 Ｅ—ｍａｉｈｌｎｘｕｐｉｎｇ＠１６３．ｔｏｍ。 通信作者：高鑫。Ｅ－ｍａｉ１：７９４７３１０８０＠ｑｑ．ｃｏｍ。 的组织与力学性能［Ｊ］．华南理工大学学报，２０１０，３８（１１）： 究［Ｊ］．热加工工艺，２００４，３３（４）：１２—１６． １２—１６． ［７］夏罗生．搅拌摩擦焊工艺倾角研究ＥＪ］．热加工工艺，２０１１， ［３］Ｆｅｎｇ Ａ Ｈ，Ｃｈｅｎ Ｄ Ｌ，Ｍａ Ｚ Ｙ．Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｃｙｃｌｉｃ ｄｅｆｏｒ－ ４Ｏ（１５）：１３５—１３７． ｍａｔｉｏｎ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｆａｒｉｃｔｉｏｎ．ｓｔｉｒ—ｗｅｌｄｅｄ ７０７５ Ａ１ ｌａｌｏｙ［Ｊ］．Ｍｅｔ－ ［８］傅志红，贺地求，周鹏展，等．７Ａ５２铝合金搅拌摩擦焊焊缝 ｌａｌｕｒｇｉｃａｌａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓＡ，２０１０，４１（５）：９５７—９７１． 的组织分析［Ｊ］－焊接学报，２００６，２７（５）：６５—６８． ［４］Ｗａｎｇ Ｔｉｎｇ，Ｌｉｕ Ｈｕｉｊｉｅ，Ｆｅｎｇ Ｊｉｃａｉ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅｒｍａｌ ｃｙｃｌｅ ｉｎ ［９］马慧坤，贺地球，刘金书．ＬＦ２１超声搅拌摩擦焊接头组织及 ７０５０ ｌａｕｍｉｎｕｍ ａｌｌｏｙ ｊｏｉｎｔ ｄｕｒｉｎｇ ｆｉｒｃｔｉｏｎ ｓｔｉｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ 性能分析［Ｊ］．焊接学报，２０１２，３３（９）：２１—２３． ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＨＡＺ［Ｊ］．Ｈｏｔ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｔｅｃｈ－ ［１０］Ｙａｎｇ Ｓ Ｑ，Ｄａｎｇ Ｚ，Ｙａｈ Ｊ Ｃ，ｅｔ １ａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｈｅａｔｉｎｇ ｐｒｏ— ｎｏＬｏ￣，２００８，ＳＴ（１７）：２２－２５． ｔｅｓｓ ｉｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃｓ ＬＪ】．Ａｃｔａ Ａｌｌｕｒｇｉｃａ Ｓｉｎｉ・ ［５］夏罗生，朱树红．２５１９铝合金搅拌摩擦焊工艺研究［Ｊ］．热加 ｃａ，２０００，１３（１）：８０—８３． 工工艺，２０１０，３９（１１）：１４４—１４６． ［１１］贺地求，李剑，李东辉，等．铝合金超声搅拌复合焊接［Ｊ］． ［６］王希靖，阿荣，郭瑞杰．铝合金搭接接头搅拌摩擦焊工艺研 焊接学报，２０１１，３２（１２）：７０—７２．