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铝合金薄板具有高塑性、大比强度、优异的耐腐蚀性能和机加工等特性,被广泛应用到汽车、轨道交通和飞机制造业。特别是在通用飞机和无人机,在结构强度和刚度满足的情况下,轻量化是提升飞行能力的重要指标。铝合金薄板作为结构件材料应用时,焊接加工不可避免。传统熔焊连接析出强化型铝合金,易在焊缝区形成冶金缺陷和严重软化,导致接头力学性能低下。搅拌摩擦焊技术属固相连接,可有效避免熔焊缺陷,提升接头力学性能。铝合金薄板搅拌摩擦焊时,采用常规转速焊接,工艺参数选择范围小,焊接效率低,而且极易因工艺参数选择不当而导致焊缝成型困难;采用高转速焊接,工艺参数选择范围大,焊接效率高,而且高转速保证充足的焊接热输入,有利于获得成型良好的焊接接头。本文采用数值模拟和试验测试相结合的研究方法,探讨了0.8 mm厚6061-T6铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接头的温度分布以及温度分布对接头组织和性能的影响规律,分析了高速搅拌摩擦稳态焊接过程中的产热机制和成型机理,同时优化了0.8mm厚6061-T6铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接工艺条件及焊后热处理工艺,并基于工艺参数优化建立了接头抗拉强度的预测模型。铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接温度分布与产热机制的数值模拟和温度测试结果表明,焊核区峰值温度最高、热力影响区次之、热影响区最小;稳态焊接过程中的产热主要来自焊缝区塑性金属变形产热;转速和焊速对高速搅拌摩擦焊接头温度分布影响显著,随转速减小和焊速增大,焊接接头各区域的峰值温度逐渐减小。转速8000 rpm和10000 rpm时,塑性产热占总产热比例介于95.7%100%,明显高于常规转速2000 rpm时的80.0%。固定焊速300 mm/min,焊核区峰值温度由10000 rpm时的490.6℃减小至8000 rpm的444.8℃;固定转速10000 rpm,焊核区峰值温度则由300 mm/min的490.6℃减小至1500 mm/min的385.6℃。此外,8000 rpm和300 mm/min工艺下,焊核区、热力影响区和热影响区的峰值温度计算值和测试值分别为449.5℃、397.6℃、284.6℃和444.8℃、413.0℃、284.6℃,误差均不大于5%。焊接接头微观组织的电子背散射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）测试结果表明,铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接头焊核区发生了完全的连续动态再结晶,近焊核区侧热力影响区（TMAZⅠ）发生了不完全连续动态再结晶和中温回复,近热影响区侧热力影响区（TMAZⅡ）仅发生了低温回复。转速11000 rpm和焊速1500mm/min工艺下,焊核区再结晶晶粒和亚晶粒所占比例分别为78.1%和20.7%,较常规转速2000 rpm和300 mm/min工艺下分别提升了2.8%和2.7%,且该区域小角晶界比例较大,为40.0%;近焊核区侧热力影响区再结晶晶粒比例较焊核区明显减少,亚晶粒和小角晶界比例明显增大,呈现出再结晶晶粒和亚晶粒为主、变形晶粒含量很少的分布特征;近热影响区侧热力影响区变形晶粒较焊核区和近焊核区侧热力影响区显著增加,再结晶晶粒和亚晶粒明显减少,呈变形晶粒为主、再结晶晶粒和亚晶粒次之且所占比例相当的分布特征。铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接头晶粒尺寸除受峰值温度影响之外,主要受该区域塑性金属应变速率影响,应变速率越大,晶粒越细小。固定焊速为1500 mm/min,焊核区平均晶粒尺寸由8000 rpm工艺下的3.0μm减小至11000 rpm工艺下的1.8μm。焊核区析出相分布受转速影响较大,转速越大,Mg2Si、Al8Fe2Si和Al2CuMg析出相数量越多,尺寸越大,分布特征越类似于母材。铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接工艺条件优化结果表明,三螺旋线型沟槽内凹面轴肩几何形貌的搅拌头可获得成型美观、减薄轻微和力学性能优异的铝合金薄板高速无倾角搅拌摩擦焊接头。高转速8000 rpm和10000 rpm工艺下,焊核区析出相数量较常规转速2000 rpm明显增多,析出相尺寸和分布越类似于母材,且在该区域形成了大量的高密度位错和亚结构,接头软化较轻,有效承载厚度较大。8000 rpm和1500 mm/min工艺下接头抗拉强度达301.8 MPa,为母材的85.8%,是常规转速2000 rpm和300 mm/min工艺下焊接接头的126.3%。夹持距离影响接头成型质量和有效承载厚度,随夹持距离增加,飞边增大,有效承载厚度减小。夹持距离由10 mm增加至35 mm时,有效承载厚度由0.72 mm减小至0.61 mm,抗拉强度由301.8 MPa减小至275.8 MPa;夹持距离增加至40 mm时,焊接接头未成型,沟槽缺陷贯穿整条焊缝。垫板通过改变散热条件来改变焊缝冷却速率而影响铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接头组织和力学性能。8000 rpm和1500 mm/min工艺下,采用热传导系数较大的Cu垫板焊接时,焊缝区析出相再析出和长大过程受抑制,析出相数量明显减少,接头软化严重,抗拉强度为249.0 MPa,为母材的70.8%。8000 rpm和1500 mm/min工艺下,分别采用Fe和Cu垫板制备的焊接接头经焊后人工时效处理后,焊缝区形成了大量的析出相和高密度位错与亚结构,接头软化明显减轻,接头抗拉强度分别达317.8 MPa和304.0 MPa,约为母材的90.4%和86.4%。采用二次回归正交方法优化的6061-T6铝合金薄板高转速搅拌摩擦参数为:转速8060 rpm,焊速1281 mm/min,接头抗拉强度计算值和测试值的误差为2.2%。8000 rpm和1500 mm/min工艺下,接头抗拉强度计算值和测试值误差为0.8%。