高强铝合金可变转速回填式搅拌摩擦点焊组分液化控制机理研究

Owing to the low eutectic point of 7xxx series aluminum alloys, constitutional liquation caused by the precipitates melting will occur in the refill friction stir welding (RFSSW). The constitutional liquation cannot be restrained by the conventional refill friction stir spot welding (RFSSW) in which constant rotation speed is applied. This leads to the degradation of the joint reliability owing to the eutectic structure formation. In order to overcome this problem, a novel method called variable rotation speed-refill friction stir spot welding (V-RFSSW) is proposed. In this method, the welding thermal cycle and microstructure evolution can be adjusted by the variable rotation speed. As a result, the constitutional liquation can be restrained. Based on this scientific idea, the studies of the constitutional liquation mechanism in the RFSSW of the high strength aluminum alloys, the thermogenesis mechanism and the welding thermal cycle characteristics of the V-RFSSW, and the formation mechanism and microstructures evolution of the V-RFSSW joint will be carried out successively. In order to build the dynamic microstructures evolution model in the constitutional liquation of the high strength aluminum alloys RFSSW. And clarify scientific essence of controlling the constitutional liquation in the RFSSW of the high strength aluminum alloys.

由于7xxx系高强铝合金共晶点较低，导致在回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）过程中会发生沉淀相熔化所引起的组分液化。常规RFSSW采用恒定的搅拌头转速，难以在保证焊点成形的同时抑制组分液化的发生，造成接头因共晶组织的生成而可靠性降低。针对上述问题，本研究创新性的提出了可变转速回填式搅拌摩擦点焊（V-RFSSW）新方法，通过采用变化的搅拌头转速对焊接热循环进行调控，改善接头微观组织演变过程，进而实现对组分液化的控制。基于上述科学思想，先后开展高强铝合金RFSSW组分液化机制、V-RFSSW产热机制及焊接热循环特征、V-RFSSW成形机制及微观组织演变过程研究。建立高强铝合金RFSSW组分液化过程中微观组织演变的动态模型，阐明V-RFSSW新方法对组分液化调控的科学本质。

大力发展新能汽车产业成为我国推动绿色发展，实现国民经济持续增长的重要举措。车身关键部位铝合金的高强度焊接技术是促进新能源汽车产业安全，高效且稳定发展的重要基础。作为一种固态焊接技术，回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）在铝合金焊接方面具有显著优势。然而，车用7xxx系(Al-Zn-Mg-Cu)高强铝合金在焊接搅拌区容易发生组分液化现象进而产生共晶组织，对关键构件的强度具有不利的影响，是亟待攻克的技术瓶颈之一。本项目首先建立了7xxx系铝合金发生组分液化发生的微观组织动态演变模型。基于此提出了可变转速回填式搅拌摩擦点焊（V-RFSSW）新方法，即通过采用“高-低”组配的焊接工具转速降低焊接热输入，从而抑制组分液化的发生。针对V-RFSSW新方法建立了三维数值模型，实现了焊接过程热-流耦合的数值仿真，明确了可变转速对焊接热输入抑制的作用。同时，较低的回填阶段焊接工具转速减弱了回填过程中材料向上的流动趋势，降低hook线高度，增加了接头的有效承载厚度。研究了转速，下扎深度，下扎速度对接头力学性能的影响规律，并获得焊接最佳工艺参数为：下扎阶段转速ω1=1500 rpm，回填阶段转速ω2=1000rpm，搅拌套下扎深度p=2.5mm，搅拌套下扎速率v=1mm/s，接头拉剪失效载荷为8945N。建立了接头微观组织与力学性能的关联模型，明确V-RFSSW新方法提升接头承载能力的科学本质：（1）抑制共晶相的生成；（2）有效降低Hook线高度；（3）提升了接头搅拌区硬度。