第一篇：7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能分析

7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能分析

7N01鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織與性能分析 王振蘇1, 黃凌驕1, 柴 鵬1, 孟立春2(1.北京航空制造工程研究所 檢測中心，北京 100024;2.中車青島四方機車車輛股份有限公司,青島 266111)摘 要： 通過7N01鋁合金板材上下板等厚全平面三層搭接攪拌摩擦焊焊接，試驗不同長度的攪拌頭對接頭的影響.結果表明,攪拌頭的形狀與長度直接影響力學性能的穩定性，結構為“錐形”右旋螺旋槽、攪拌頭長度為16 mm時焊接接頭的力學性能性對比較穩定而且較優.通過對接頭斷面形貌及硬度進行分析，得出焊核和熱力影響區的分界線在前進側和后退側明顯不同，焊核區是受到熱循環和機械作用影響最嚴重的區域，組織變化程度最大，是合金元素過度飽和區域，晶粒得以細化，材料力學性能得到進一步提高，形成“峰值”硬度.關鍵詞： 7N01鋁合金;攪拌摩擦焊接;攪拌頭;剪切性能;斷面形貌 0 序 言 攪拌摩擦焊作為一種經濟、高效、高質量的“綠色焊接工藝”受到全世界的廣泛關注，與傳統的焊接工藝相比具有無可比擬的優勢，其生產成本低，接頭性能好，安全性好[1]，已廣泛應用于宇航制造工業、船舶制造工業、汽車、高速列車等制造業領域.目前應用攪拌摩擦焊成功連接的材料有鋁合金、鎂合金、不銹鋼、低碳鋼等同種或異種材料[2].由此可知，隨著焊接設備的發展, 攪拌摩擦焊將應用于更多材料的連接.FSW焊接不需要焊前處理,可以焊接厚度1.2～50 mm,鋁合金常用對接最優厚度達1.6～10 mm，特殊搭接厚度為1.2～6.4 mm，如果厚度達100 mm，則可以進行雙面焊接[3].針對攪拌摩擦焊技術，眾多研究者主要對有關鋁合金攪拌摩擦焊的工藝、組織及力學性能進行了研究.研究表明, 除焊接速度、攪拌頭旋轉速度和攪拌頭軸肩壓力影響攪拌摩擦焊焊縫質量外,攪拌頭形狀對于攪拌摩擦焊焊縫的形成起著非常重要的作用，攪拌針形狀影響焊縫塑化金屬流動的行為, 導致焊縫截面形貌發生變化[4]，而且攪拌針的長度對Al-Li合金搭接接頭力學性能存在明顯影響，當攪拌針長度從2.8 mm變為2.5 mm時，所有接頭強度和塑性都有了大幅度提高[5].Mahoney通過拉伸試驗、斷口分析及微觀組織分析7075-T651攪拌摩擦焊接接頭的性能, 縱向和橫向拉伸表明, 接頭最脆弱的區域是離焊縫7～8 mm的HAZ，屈服強度降低45%,抗拉強度降低25%.焊縫區的塑性和強度都會降低, 焊后熱處理對鋁合金不適用, 雖然可能提高強度，但會大大降低塑性, 這種現象與微觀組織結構變化有關.細小硬相夾雜物的減少和焊縫區的位錯均可以導致低的接頭強度[6].在軌道交通行業，隨著列車速度的越來越高，對接頭的強度要求會更高，文中針對《動車組枕梁中心板攪拌摩擦焊搭接形式工藝技術研究》項目，用幾種不同長度攪拌針的攪拌頭, 對7N01鋁合金進行了攪拌摩擦焊試驗, 通過研究、分析試驗結果, 確定動車組枕梁中心板攪拌摩擦焊搭接工藝, 旨在通過焊接接頭的力學性能的穩定性選擇合適的攪拌頭長度，并且對接頭的微觀組織和顯微硬度進行分析，研究其變化機理.1 試驗方法 試驗材料為7N01鋁合金，7N01鋁合金屬Al-Zn-Mg系列中等強度鋁合金，具有優良的擠壓性、焊接性、耐蝕性.主要用于軌道列車車體的端面梁、車端緩沖器、底座、門檻、側面構件骨架、車架枕梁等重要部分.采用的板材規格為400 mm×150 mm×15 mm，熱處理狀態為固溶處理后自然時效.母材的力學性能參數為抗拉強度400 MPa,規定塑性延伸強度RP0.2為260 MPa，表1為7N01鋁合金主要合金元素的成分.表1 7N01鋁合金組成元素的化學成分(質量分數,%)Table 1 Chemical compositions of alloy 7N01ZnMgFeCuMnCrSiTiZrAl3.6400.9100.1500.1200.4000.1500.0480.0300.110余量 所用設備分別為二維定梁龍門式攪拌摩擦焊接設備(型號：FSW-LM2-1020)、MG226型恒電位X射線探傷機、71型顯微硬度計，OLYMPUSBX41金相顯微鏡、WDW3100電子式萬能材料試驗機.剪切試驗部分參考國家標準GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗方法》和GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗方法》.2 試驗結果 2.1 焊接接頭剪切試驗結果 焊接接頭為15 mm與15 mm鋁合金搭接接頭，預選攪拌針長度分別為16，17，18 mm的外凸(偏角2.5°)“錐型”(錐角18°)螺旋槽+三平面攪拌頭，采用上下板等厚全平面三層搭接焊接，攪拌頭轉速600,450 r/min，焊接速度分別為120,60 mm/min，焊接過程中壓入量恒定為0.5 mm.焊縫在鋁板上分布如圖1所示，試樣加工尺寸如圖2所示.圖1 焊縫位置分布及尺寸(mm)Fig.1 Position and size of weld zone 圖2 剪切試樣示意圖(mm)Fig.2 Diagram of shear specimens 由于接頭在實際狀態下承受剪切應力，確定加工六組剪切試樣檢測剪切應力，第1,3,5組試樣對應工藝參數為焊接速度120 r/min，攪拌頭轉速60 mm/min，第2,4,6組試樣對應工藝參數為焊接速度60 r/min，攪拌頭轉速為450 mm/min，剪切試驗結果如表2所示.表2 剪切應力對比

Table 2 Contrast of shearing stress編號最大剪切應力τ/MPa平均剪切應力τ/MPa攪拌頭長度L/mm1-1253.151-2241.35265.14161-3300.002-1255.902-2303.62293.25162-3320.243-1334.173-2358.38334.31173-3310.384-1150.124-2151.43153.91174-3160.195-1124.815-2118.06125.02185-3132.196-1309.906-2367.96335.39186-3328.31 由表2可以看出，攪拌頭長度為17和18 mm時，針對兩種工藝參數，相同攪拌頭長度所獲得的焊縫抗剪切性能有較大差異，長度為17 mm時，焊接速度120 r/min，攪拌頭轉速60 mm/min條件下焊接接頭獲得較高的剪切應力，而另一種工藝下得出的接頭剪切應力較差，長度為18 mm時情況剛好相反；兩種攪拌頭的對應最高和最低平均值都相近，該兩種尺寸攪拌頭在給出的工藝參數組條件下進行焊接所獲得焊縫性能不穩定，后續試驗中相對較難尋找其最優工藝窗口；相對而言，攪拌頭長度為16 mm時，兩組工藝參數下的焊縫抗剪切應力相近，且明顯優于另外兩種攪拌頭的最差數據組，說明在同樣條件下，針對15 mm厚7N01鋁合金搭接接頭，16 mm長度攪拌頭表現較為穩定，焊縫抗剪切性能相對較優.2.2 焊接接頭微觀金相 對第2組試樣的焊接接頭微觀組織進行研究，得到圖3焊接接頭微觀金相圖,從圖中可以明顯地看到，焊核和熱力影響區的分界線在前進側和后退側是明顯不同.如圖3b,c所示,在前進側，焊核和熱力影響區有明顯分界線，并且熱力影響區中的塑性流動痕跡也很清晰；而后退側兩個區域的分界線要模糊一些，有一個較寬的過渡區域.出現這種情況的原因是在焊接過程中,隨著攪拌頭的不斷前進，后退側附近的材料會不斷地隨著攪拌頭的外表面逆時針地流向攪拌頭的后方；前進側由于存在明顯的楔形擠壓和空腔作用，使得焊縫材料塑性流動方向與母材金屬塑性流動方向相同或者相反,并且后退側的材料與前進側的材料在溫度上也有差異，從而在前進側熱力影響區與焊核區之間存在很大的相對變形差和組織上的差異，進而在焊縫的前進側熱影響區與焊核區之間形成明顯的分界面；而在后退側，焊縫材料塑性變形方向與母材金屬塑性變形流動方向一致，母材金屬平滑地與焊縫材料一起變形，并且此時的溫度梯度變化小而平滑，從而后退側熱力影響區與焊核區的分界面并不是很明顯，存在一個模糊的過渡區域.圖3 攪拌摩擦焊接頭微觀組織Fig.3 Structure morphology of FSW joint 焊核區是受到熱循環和機械作用影響最嚴重的區域，組織變化程度最大，是合金元素過度飽和區域，該區域變形晶粒發生沉淀和回復交互作用，晶粒尺寸一般在10 μm左右.在圖3a中可以看到該區出現高密度分布的細晶沉淀相，從而抑制晶粒發生長大而發生再結晶反應；在理想的動態再結晶過程中，局部積累能的變化導致應變誘發晶界的遷移，這種遷移和塑性流動的不同將導致在初始晶粒的沉淀相周圍開始形成鏈狀的新晶粒，這樣在焊接過程中不斷形成新晶粒層，并從晶粒邊界向內部發展一直到每一個初始晶粒均發生再結晶，從圖3a可以看到該區的再結晶組織形貌基本一致，表現出一種無序、無方向性的特征.同時，焊核區的塑性流動是非對稱的，這一點從有關前進側與后退側表現出明顯不同特征可以得到驗證.熱力影響區在攪拌頭的劇烈攪拌作用引起的塑性態鋁的黏附作用下，在接近焊核區的小部分區域發生了局部破碎和黏附長大現象，而其它部分的組織發生了較大程度的彎曲變形，如圖3b,c所示；另外，如圖3b所示，該區域的晶粒尺寸比焊核區的要大，這主要是由于在焊接熱循環作用下發生回復和動態再結晶造成.2.3 焊接接頭顯微硬度 硬度檢測區域為圖4橫向劃線部位，硬度分布呈“W”形.由圖3可以看出：由于母材為T4狀態，即經過固溶處理，自然時效，基體中有大量細小、彌散強化相，如θ相和T相析出，故母材的硬度最高；而在焊核區，距離焊核中心3 mm的區域硬度值最小，經與圖3的對比參照可知，最小硬度值出現在熱力影響區.由圖5還可以看到，前進側與后退側的顯微硬度分布存在一定的差異，后退側比前進側的平均硬度值要大，這也說明FSW與其它焊接方法因焊接成形原理不同造成微觀特征的不同.可能是在后退側材料“塞積”現象較嚴重，組織致密，晶粒變形大，畸變能增加.此外，強化相在后退側的大量聚集可能也是造成其硬度值相對較大的一個因素.在熱影響區內，硬度值明顯低于母材.晶粒粗化和強化相的溶解導致硬度顯著降低，熱影響區受力和熱的影響，容易出現大尺寸和不規則晶粒，導致硬度值降低.而在焊核區，硬度相對鄰近區域有所提高，并在中心出現一個“峰值”，這與焊核區的形成機理有關，該區經歷了攪拌針強烈的機械攪拌作用，晶粒得以細化，材料力學性能得到進一步提高，這是形成“峰值”硬度的主要原因.圖4 顯微硬度檢測區域Fig.4 Micro-hardness testing area 圖5 接頭顯微硬度分布Fig.5 Micro-hardness of joint 3 結 論(1)針對15 mm厚7N01鋁合金搭接接頭，在工藝參數分別為(焊接速度120 r/min，攪拌頭轉速60 r/min)以及(焊接速度60 r/min，攪拌頭轉速450 mm/min)時，“錐形”三平面+螺旋槽型攪拌頭長度為16 mm能獲得剪切性能較穩定的焊接接頭.(2)從微觀金相得出焊核和熱力影響區的分界線在前進側和后退側明顯不同，焊核區是受到熱循環和機械作用影響最嚴重的區域，組織變化程度最大.(3)焊核區是合金元素過度飽和區域，晶粒得以細化，材料力學性能得到進一步提高，焊接接頭顯微硬度呈“W”形分布，在核焊區形成“峰值”硬度.參考文獻： [1] 張 華，林三寶，吳 林, 等.攪拌摩擦焊研究進展及前景展望[J].焊接學報，2003，24(3): 91-96.Zhang Hua，Lin Sanbao，Wu Lin，et al.Current progress and prospect of friction stir welding[J].Transactions of the China Welding Institution，2003，24(3): 91-96.[2] 王希靖，申志康，張忠科.鋁和鍍鋅鋼板的攪拌摩擦焊搭接分析[J].焊接學報，2011, 32(12): 97-100.Wang Xijing, Shen Zhikang, Zhang Zhongke, Study of friction-stir-welded lap joint of aluminum and zinccoated stell[J].Transtions of the China Welding Institution, 2011, 32(12): 97-100.[3] Sanderson A, Punshon C S.Advanced welding processes for fusion reactor fabircation[J].Fusion Engineering and Design，2000, 49: 77-87.[4] 柯黎明，潘際鑾，邢 麗, 等.攪拌針形狀對攪拌摩擦焊焊縫截面形貌的影響[J].焊接學報，2007，28(5): 33-37.Ke Liming, Pan Jiluan, Xing Li , et al.Mechanical Influence of pin shape on weld transverse morphology in friction stir welding[J].Transactions of the China Welding Institution，2007，28(5): 33-37.[5] 張丹丹，曲文卿，尹 娜, 等.工藝參數對鋁鋰合金攪拌摩擦焊搭接接頭力學性能的影響[J].焊接學報，2013，34(2): 84-88.Zhang Dandan，Qu Wenqing，Yin Na，et al.Effect of process parameters on mechanical properties of friction stir welded Al-Li alloy lap joints[J].Transactions of the China Welding Institution，2013，34(2): 84-88.[6] Mahoney M W，Rhodes C G，Flintoff J G，et al.Properties of frictionstir-welded 7075 T651 aluminum[J].Metallurgical and Materials Transactions A: Physical Metallurgy and Materials Science, 1998, 29(7): 1955-1964.收稿日期： 2015-11-04 中圖分類號： TG 453 文獻標識碼： A doi：10.12073/j.hjxb.20151104001 作者簡介： 王振蘇，女，1966年出生，碩士，高級工程師.主要從事力學性能檢測工作.Email: ***@126.com

第二篇：第八講培訓的組織結構與需求分析(下)

第八講培訓的組織結構與需求分析（下）

培訓需求分析(下)

2.通過各種方法分析培訓內容

培訓需求分析第二步是通過問卷法、訪談法、管理測評法、工作觀察法等確定員工所需要培訓的技巧。

?問卷法

問卷法是最常用的方法，其應用前提是員工具備一定的專業能力，了解自己的不足。該方法的弊端是員工對自己的意愿及不足未必十分了解，這樣就會導致問卷結果的隨意性。

【案例】

某公司進行名為“創新思維解決問題”的培訓，其間沒有講授溝通技巧，沒有介紹團隊建設，事實上既沒能創新，又沒有很好地解決問題。所謂“創新思維”僅僅是標榜潮流，培訓課的目的在于解決問題，創新思維是無法培訓的。

【自檢3-2】

通過員工問卷調查來了解培訓需求是否可行？為什么？

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見參考答案3－

2?座談法

座談法是公司通過與員工直屬經理座談決定該員工的不足之處進而確定培訓需求的辦法。

?訪談法

訪談法即培訓經理通過與學員逐個訪談來判斷其不足之處的培訓需求。

? 管理素質測評法

管理素質測評法，是國外人力資源管理發展的方向。管理素質測評法指專門對行為進行測試的方法，是一種利用心理學原理解釋某種行為現象的方法。通過測評問卷得出各種能力狀況：技巧、實踐管理、團隊合作、溝通水平、行為標準化程度等。

【案例】

管理測評軟件在國外已經得到應用，比如測試員工能否在壓力下工作，規定接受測試的員工在十分鐘之內算出一百道難度較大的算術題，十分鐘后交上試卷，再發同樣的一百道題，因為打亂順序所以無法回憶答案，只得重新算一遍。

如此反復多次，如果一名員工第一次得分98，第二次也是98，直到第六次依然是98，說明該員工抗壓力強；如果一名員工第一次得分98，第二次得分80，第六次得分70，說明該員工抗壓能力較弱，工作效率低。

? 工作觀察法

工作觀察法就是經理通過與員工一起工作一段時間來觀察其不足之處，一起工作時間越長就越能準確發現問題。工作觀察法的時間應以月為單位。