6061-T6铝合金BTFSW焊接过程参数测控研究

摘要

本文基于对双轴肩搅拌摩擦焊的认识，深入研究了其焊接过程特征参数（扭矩、焊接区温度、前进阻力），分析了双轴肩搅拌摩擦焊工艺参数（焊接速度、焊接转速）与焊接过程特征参数的关系，揭示了焊接过程参数对焊缝显微组织和接头力学性能的影响规律，并提取过程特征参数焊接区温度作为控制对象，建立PID温度闭环控制模型，成功实现对双轴肩搅拌摩擦焊接过程的控制。
　　扭矩研究表明：扭矩平均值在焊接过程中先增大后缓慢减小，具有周期振荡特性，其振荡信号的频率接近2倍主轴设定频率，扭矩峰值随焊接速度的增加而增加，随焊接转速的增加而减小。扭矩变化率随焊接速度和焊接转速的增加而减小。
　　焊接区温度研究表明：焊接过程中焊接区温度先缓慢增加，后随焊接速度的快速增加而迅速增加，进入稳定焊接阶段焊接区温度缓慢增加，其峰值随焊接转速的增加而增加。
　　前进阻力研究表明：随着搅拌头的咬入前进阻力快速升高到峰值，维持恒定，在加速阶段前后发生突变，先快速减小后又快速增加至新的峰值，稳定焊接阶段前进阻力缓慢下降至新的峰值维持恒定直至焊接结束。当焊接转速在300rpm～500rpm变化时，稳定焊接阶段前进阻力平均值随焊接转速的增加而减小。
　　双轴肩搅拌摩擦焊缝显微组织及接头力学性能与过程特征参数扭矩、焊接区温度和前进阻力有关，尤其在稳定焊接阶段，扭矩、焊接区温度和前进阻力对焊缝显微组织及接头力学性能的影响规律明显。双轴肩搅拌摩擦焊接稳定阶段，扭矩振荡幅值增大，平均值缓慢减小，焊接区温度缓慢升高，前进阻力变化幅度较小，沿焊接方向上，焊核区面积变大，接头硬度和拉伸强度呈现先增加后减小，当焊接区温度过高，金属过度软化，扭矩出现异常振荡，接头硬度和拉伸强度明显降低，焊缝表面成形较差，有飞边出现，严重时甚至导致焊接失败，此时前进阻力也出现异常变大；当焊接区温度过低金属未完全塑化，扭矩峰值较大，前进阻力平均值增大，焊后焊缝金属未完全焊合，观察断口形貌呈撕裂状。
　　综上可知，焊接区温度与焊接参数、显微组织及接头力学性能的关系明显，是双轴肩搅拌摩擦焊接过程中重要而又可控的参数，选定焊接区温度作为控制对象，建立Smith-PID温度闭环控制模型，实现对BTFSW焊接过程的控制。研究表明，BTFSW稳定焊接阶段，350rpm时，焊接区温度维持在495℃（设定温度为480℃），温度控制误差约为15℃，扭矩基本维持在维持在48～50N.m范围内，前进阻力维持在280Kg左右。焊核区金相组织更加致密，晶粒尺寸大小较为均匀；焊缝横截面硬度表现出明显的“W”形，硬度的变化幅度相比较小，沿焊接方向硬度值差异较小；拉伸性能沿焊接方向也表现出无差异性。焊接区温度控制效果显著，提高了BTFSW焊缝组织接头性能的均匀性，焊接过程的稳定性，BTFSW焊接质量提高。

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第1章 绪论

1.1选题背景及意义

1.2搅拌摩擦焊

1.3双轴肩搅拌摩擦焊

1.4研究内容及目的

第2章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料和设备

2.2试验方法

2.3本章总结

第3章 双轴肩搅拌摩擦焊特征参数检测系统

3.1引言

3.2双轴肩搅拌摩擦焊特征参数检测系统原理

3.3双轴肩搅拌摩擦焊特征参数检测装置

3.4 Labview数据采集系统

3.5本章小结

第4章 双轴肩搅拌摩擦焊特征参数分析

4.1引言

4.2扭矩分析

4.3焊接区温度分析

4.3前进阻力分析

4.4本章小结

第5章 双轴肩搅拌摩擦焊接头组织性能分析

5.1引言

5.2试验方案

5.3双轴肩搅拌摩擦焊缝表面成型

5.4双轴肩搅拌摩擦焊缝金相组织

5.5双轴肩搅拌摩擦焊缝硬度

5.6双轴肩搅拌摩擦焊缝拉伸性能

5.7双轴肩搅拌摩擦焊接接头拉伸断口形貌

5.8本章小结

第6章 双轴肩搅拌摩擦焊焊接区温度闭环控制

6.1引言

6.2研究方案

6.3焊接区温度闭环控制系统

6.4试验结果分析

6.5本章小结

结论

展望

参考文献

作者攻读学位阶段参研课题及研究成果

致谢