高强铝合金搅拌摩擦焊内部残余应力分布的多因素关联研究

Aiming at friction stir welding (FSW) of high strength Al alloys, the interior residual stresses at weld zone with different weld process will be investigated by short wavelength x-ray diffractmeter (SWXRD), invented by applicants, with transmisstion diffraction mode and non-destructive method. Combined the origin of residual stress during FSW with the influence factors of measuring error, the effect of multi-factors, such as mechanical friction, plastic deformation, recovery and recrystallization, atom diffusion, on residual stress will be revealed. The relationship of three different internal stress (corresponding to Part I, II, III class of residual stress respectively) with variant size will be explored. The texture, grain size and shape, precipitation phase existed in weld nuclear area, thermal mechanical affected zone, heat affected zone will be studied, as well as their influence on stress-free reference lattice spacing. By means of SWXRD and Bragg Law, set up mathematic model of grain size, micro-hardness and residual, realize the interior residual stress of FSW non-destructive measuring precisely. Reach the aim of providing useful data for optimizing process of FSW and predicating weldments service life. Thus facilitate the developing of high strength Al alloys FSW. And open up a new approach for measuring interior residual stresses with non-destructive way.

本项目以高强铝合金搅拌摩擦焊（FSW）为研究对象，采用独创的短波长X射线衍射仪（SWXRD），用透射衍射的方法对不同工艺FSW试样的内部残余应力进行定点无损测试。结合FSW焊接区残余应力产生原因和应力测试误差的影响因素，揭示机械摩擦、材料塑性变形、组织的回复再结晶、原子扩散等多因素对FSW残余应力分布的综合作用机制；探寻FSW宏观尺寸、晶粒尺寸和晶内亚结构范围的应力（分别对应第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类残余应力）之间的跨尺度关联作用, 研究焊核区、热力影响区、热影响区的织构、晶粒大小和形状以及析出相对无应力参考晶面间距的影响，同时借助SWXRD和布拉格定律，建立晶粒大小、显微硬度与残余应力之间的数学模型，实现无损定点测试焊接区内部残余应力的分布。达到优化焊接工艺，为预测焊件寿命提供决策依据的目的，从而促进高强铝合金FSW焊接技术的发展，同时也为开展内部残余应力的无损测试开辟一条新的途径。

高强铝合金搅拌摩擦焊（FSW）残余应力的大小及分布直接关系到焊件的服役寿命，不当的焊接应力会降低焊接件的疲劳寿命，此外在服役过程中，焊接残余应力还会与所受载荷叠加，产生二次变形和应力再分布，导致加工精度和寿命的再次降低。如何准确测量和掌握焊接区残余应力的大小和分布是问题的关键所在。不同的残余应力测试方法都有其各自的适用范围和局限性，高强铝合金FSW焊接区内部残余应力的精确测量评定现已经成为一个亟待解决的问题。.针对上述问题，本课题以自主研发的短波长X射线衍射法（SWXRD）作为主要技术手段，研究了高强铝合金搅拌摩擦焊焊接区内部残余应力分布的无损测试新方法以及影响残余应力分布的其它因素的关联性规律，主要研究内容和相应的研究成果包括四个方面：.（1）研究了搅拌摩擦焊焊接接头的微观组织结构和织构演变的情况。焊核区为细小的再结晶组织，热机影响区为明显的塑性变形组织并发生部分再结晶，热影响区同母材微观组织基本相同。FSW焊接接头中存在粗大第二相和细小弥散析出相，析出相引起的晶格畸变是造成不同区域之间残余应力和结构、性能差异的主要内部原因。.（2）研究了点对点无应力标样的制备方法和参考晶面间距的确定方法以及其他提高SWXRD应力测试精度的方法。确定了对不同规格的样品使用最优化的无应力标样的制备方法；利用样品摇摆可以解决轧制板材中粗大晶粒造成测试结果统计波动性大的问题；通过选择织构最强的方向为衍射方向，解决了强织构材料的异常衍射峰问题；通过使用不对称函数拟合衍射峰，提高了应力测试精度。.（3）研究了不同焊接速度、搅拌速度、铝合金种类和放置时间等因素对残余应力分布的影响规律。焊接工艺是影响内部残余应力分布的主要外部原因，对于可时效的高强铝合金FSW焊接件，微观组织、显微硬度和残余应力都会随着放置时间而变化。.（4）研究了焊接工艺对焊接区微观组织结构、显微硬度和残余应力之间的相互关联作用规律，可以为焊接工艺的优化提供参考依据。