摘 要摘 要本研究是基于超声辅助搅拌摩擦焊以及热管改善焊接温度场的研究思路，通过在焊接过程中施加热管对温度场进行主动控制，同时利用超声振动效应来达到改善焊接接头“弱连接”的目的。分别在常规条件、超声振动条件、热管/超声协同(空冷)以及热管/超声协同(常温水冷)四种条件下进行焊接，通过对比分析探究焊接接头弱连接的演变规律。通过测温试验发现各测温点的温度均经历了一个先上升后下降的过程。同时与常规条件相比，其他三种施加主动控制的焊接温度场各阶段峰值温度均有下降，尤其在热管冷凝端采用常温水冷时温度下降最为明显。金相试验研究表明超声振动可以明显细化焊接接头的晶粒，焊核区均为细小的等轴晶。同时施加超声与热管时，尤其在水冷条件下，焊核区上部晶粒也明显得到细化。硬度试验表明，显微硬度曲线为不对称“W”型分布，施加超声振动对焊核区硬度影响不大，但前进侧热机影响区的硬度明显提高。拉伸试验表明，施加主动控制对焊接接头的抗拉强度无明显影响，但在单独施加超声振动时，对接头的塑性有较大的提升。关键词AZ31镁合金；搅拌摩擦焊；超声振动；热管；温度场
目 录
第一章 绪论 1
1.1选题的背景及意义 1
1.2搅拌摩擦焊的概述 2
1.2.1搅拌摩擦焊的原理 2
1.2.2搅拌摩擦焊接头显微组织及缺陷的研究 3
1.2.3搅拌摩擦焊的应用 5
1.3超声辅助搅拌摩擦焊的概述 6
1.3.1超声振动搅拌摩擦焊的原理 6
1.3.2超声振动辅助搅拌摩擦焊的研究进展 7
1.4热管研究概述 8
1.4.1热管的工作原理 8
1.4.2热管的特性 9
1.4.3热管辅助焊接技术的研究现状 10
1.5本文主要研究内容及其创新性 10
第二章 实验部分 11
2.1试验材料及设备 11
2.1.1实验用镁合金板材 11
2.1.2实验设备 11
2.2试验方法 13
2.2.1焊接试验 13
2.2.2测温试验 14
2.2.3拉伸试验 15
2.2.4金相试验 15
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2.2.5硬度试验 16
第三章 试验结果与分析 17
3.1焊接试验 17
3.1.1焊缝表面形貌分析 17
3.1.2 焊接缺陷 17
3.2温度场测试结果分析 18
3.3搅拌摩擦焊接头组织分析 20
3.3.1宏观形貌 20
3.3.2微观形貌 21
3.4焊接接头显微硬度分析 23
3.5焊接接头力学性能分析 24
3.5.1 焊接接头宏观断裂形貌 25
3.5.2 焊接接头抗拉强度与断后伸长率 25
3.5.3拉伸断口扫描电镜分析 26
结论 28
致谢 29
参考文献 29
第一章 绪论
1.1选题的背景及意义
镁合金作为一种密度较小的轻金属合金，以其优越的性能开始慢慢取代铝材及钢铁。高的比强度、比刚度，优良的导热、抗蠕变、减震和机械加工性能令其成为目前发展最快的轻合金，在节能环保方面的应用更使其得到了“21世纪绿色工程材料”的美誉[1]。在航空航天、国防军工、汽车高铁、光电仪器等领域的广泛应用引起了科技部的高度重视，将其作为国家“十五”重大专项之一来进行开发研究[2]。
焊接是金属材料实现连接的普遍应用方式，把相同或不同的材料通过原子间扩散的形式连成一体，简单易操作实用性强。镁合金熔点低、线膨胀系数高、导热率高的焊接性能使其能够在焊接方面得以应用，但是在焊接时容易与空气中的氧气和氮气结合而产生气孔、裂纹、夹渣、飞溅等焊接缺陷，焊缝成型困难，焊后金属容易变形，出现夹杂脆硬相和热裂纹，导致焊接接头的力学性能下降。为了获得更好的焊接接头性能[3]，国内外的研究学者经过反复的实验对比发现了搅拌摩擦焊技术能够有效的解决传统熔焊方法所出现的焊接缺陷问题，搅拌摩擦焊在焊接时产生热量少，焊后金属完好，工艺简单，节能环保。
搅拌摩擦焊接时搅拌头向前移动与被焊金属材料发生摩擦作用而产生的热量使材料发生塑性变形连接在一起，这一过程除了要求施加很大的轴向压力和水平进给力外还会对搅拌头造成严重磨损，工件安装比较繁杂，在焊接高强度、高硬度、高熔点的金属材料时会因为较大的屈服应力和流变应力使材料流动不充分而产生各种焊接缺陷[46]。因此，研究人员就想到了利用辅助能源来优化搅拌摩擦焊的焊接特性，了解到超声振动在焊接过程中能够有效的减小屈服应力和流变应力，超声振动是机械能因此不会对搅拌摩擦焊的焊接产生不良影响，其体积效应也能增强金属材料的塑性流动能力，消除焊接时所产生的不均匀气孔，改善力学性能[7]。从超声振动的施加方式可以知道其主要分为三种形式[4]：利用滚动轴承将超声振动从横向施加于搅拌头、把搅拌头和变幅杆连成一体组成超声搅拌复合焊、直接将超声振动通过工具头施加在待焊工件上，由于将超声振动从不同的位置施加于搅拌头上，所得到的焊接接头的质量也有所差异，我们利用的是第三种施加超声振动的方式，其结构简单可操作性强。但是现阶段超声振动辅助搅拌摩擦焊技术尚不完善，在焊接参数和焊接形式等方面还有很多问题有待商榷。
超声振动对搅拌摩擦焊各方面性能的改善显而易见，本次课题就是在此基础上施加平板热管对温度场进行主动控制，然后对焊接接头的温度变化及性能的改变进行分析。平板热管利用了热传导和高效传热的原理，在不需要外力作用辅助的情况下，将热源的热量迅速传递到外面[8]，因其安全稳定、价格低廉、高效节能的特点而受到人们的青睐。
运用搅拌摩擦焊对镁合金进行焊接，已经在各方面取得了不俗的成绩，经过学者们的努力，通过超声振动对搅拌摩擦焊的焊接缺陷进行了改善，并且在一定程度上达到了理想的效果，我们也看到了热管在焊接方向具有光明的发展前景，将二者结合共同进行焊接也成了本次课题新的研究方向。
1.2搅拌摩擦焊的概述
搅拌摩擦焊[1]( Friction Stir Welding,简称FSW)是一种能使材料在无需熔化的情况下就能够进行连接的技术，即固相连接[9]。在与熔焊方法对比时显示出了明显的优势，焊缝晶粒组织细密，弯曲拉伸性能良好，焊接时没有烟尘、气孔等缺陷，也不用添加保护气、焊丝，从而使其成为当下热门的焊接研究技术[10]。

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