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(cè)中心，北京 100024;2.中車青島四方機(jī)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(yàn)不同長度的攪拌頭對(duì)接頭的影響.結(jié)果表明,攪拌頭的形狀與長度直接影響力學(xué)性能的穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)為“錐形”右旋螺旋槽、攪拌頭長度為16 mm時(shí)焊接接頭的力學(xué)性能性對(duì)比較穩(wěn)定而且較優(yōu).通過對(duì)接頭斷面形貌及硬度進(jìn)行分析，得出焊核和熱力影響區(qū)的分界線在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)明顯不同，焊核區(qū)是受到熱循環(huán)和機(jī)械作用影響最嚴(yán)重的區(qū)域，組織變化程度最大，是合金元素過度飽和區(qū)域，晶粒得以細(xì)化，材料力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，形成“峰值”硬度.關(guān)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(jīng)濟(jì)、高效、高質(zhì)量的“綠色焊接工藝”受到全世界的廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)的焊接工藝相比具有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)成本低，接頭性能好，安全性好[1]，已廣泛應(yīng)用于宇航制造工業(yè)、船舶制造工業(yè)、汽車、高速列車等制造業(yè)領(lǐng)域.目前應(yīng)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(shè)備的發(fā)展, 攪拌摩擦焊將應(yīng)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(duì)接最優(yōu)厚度達(dá)1.6～10 mm，特殊搭接厚度為1.2～6.4 mm，如果厚度達(dá)100 mm，則可以進(jìn)行雙面焊接[3].針對(duì)攪拌摩擦焊技術(shù)，眾多研究者主要對(duì)有關(guān)鋁合金攪拌摩擦焊的工藝、組織及力學(xué)性能進(jìn)行了研究.研究表明, 除焊接速度、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度和攪拌頭軸肩壓力影響攪拌摩擦焊焊縫質(zhì)量外,攪拌頭形狀對(duì)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(dòng)的行為, 導(dǎo)致焊縫截面形貌發(fā)生變化[4]，而且攪拌針的長度對(duì)Al-Li合金搭接接頭力學(xué)性能存在明顯影響，當(dāng)攪拌針長度從2.8 mm變?yōu)?.5 mm時(shí)，所有接頭強(qiáng)度和塑性都有了大幅度提高[5].Mahoney通過拉伸試驗(yàn)、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(qū)域是離焊縫7～8 mm的HAZ，屈服強(qiáng)度降低45%,抗拉強(qiáng)度降低25%.焊縫區(qū)的塑性和強(qiáng)度都會(huì)降低, 焊后熱處理對(duì)鋁合金不適用, 雖然可能提高強(qiáng)度，但會(huì)大大降低塑性, 這種現(xiàn)象與微觀組織結(jié)構(gòu)變化有關(guān).細(xì)小硬相夾雜物的減少和焊縫區(qū)的位錯(cuò)均可以導(dǎo)致低的接頭強(qiáng)度[6].在軌道交通行業(yè)，隨著列車速度的越來越高，對(duì)接頭的強(qiáng)度要求會(huì)更高，文中針對(duì)《動(dòng)車組枕梁中心板攪拌摩擦焊搭接形式工藝技術(shù)研究》項(xiàng)目，用幾種不同長度攪拌針的攪拌頭, 對(duì)7N01鋁合金進(jìn)行了攪拌摩擦焊試驗(yàn), 通過研究、分析試驗(yàn)結(jié)果, 確定動(dòng)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(xué)性能的穩(wěn)定性選擇合適的攪拌頭長度，并且對(duì)接頭的微觀組織和顯微硬度進(jìn)行分析，研究其變化機(jī)理.1 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)材料為7N01鋁合金，7N01鋁合金屬Al-Zn-Mg系列中等強(qiáng)度鋁合金，具有優(yōu)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(cè)面構(gòu)件骨架、車架枕梁等重要部分.采用的板材規(guī)格為400 mm×150 mm×15 mm，熱處理狀態(tài)為固溶處理后自然時(shí)效.母材的力學(xué)性能參數(shù)為抗拉強(qiáng)度400 MPa,規(guī)定塑性延伸強(qiáng)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(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical compositions of alloy 7N01ZnMgFeCuMnCrSiTiZrAl3.6400.9100.1500.1200.4000.1500.0480.0300.110余量 所用設(shè)備分別為二維定梁龍門式攪拌摩擦焊接設(shè)備(型號(hào)：FSW-LM2-1020)、MG226型恒電位X射線探傷機(jī)、71型顯微硬度計(jì)，OLYMPUSBX41金相顯微鏡、WDW3100電子式萬能材料試驗(yàn)機(jī).剪切試驗(yàn)部分參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2651-2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》和GB/T 228-2010《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》.2 試驗(yàn)結(jié)果 2.1 焊接接頭剪切試驗(yàn)結(jié)果 焊接接頭為15 mm與15 mm鋁合金搭接接頭，預(yù)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(zhuǎn)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(shí)際狀態(tài)下承受剪切應(yīng)力，確定加工六組剪切試樣檢測(cè)剪切應(yīng)力，第1,3,5組試樣對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為焊接速度120 r/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速60 mm/min，第2,4,6組試樣對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)為焊接速度60 r/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速為450 mm/min，剪切試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.表2 剪切應(yīng)力對(duì)比

Table 2 Contrast of shearing stress編號(hào)最大剪切應(yīng)力τ/MPa平均剪切應(yīng)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(shí)，針對(duì)兩種工藝參數(shù)，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(shí)，焊接速度120 r/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速60 mm/min條件下焊接接頭獲得較高的剪切應(yīng)力，而另一種工藝下得出的接頭剪切應(yīng)力較差，長度為18 mm時(shí)情況剛好相反；兩種攪拌頭的對(duì)應(yīng)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(shù)組條件下進(jìn)行焊接所獲得焊縫性能不穩(wěn)定，后續(xù)試驗(yàn)中相對(duì)較難尋找其最優(yōu)工藝窗口；相對(duì)而言，攪拌頭長度為16 mm時(shí)，兩組工藝參數(shù)下的焊縫抗剪切應(yīng)力相近，且明顯優(yōu)于另外兩種攪拌頭的最差數(shù)據(jù)組，說明在同樣條件下，針對(duì)15 mm厚7N01鋁合金搭接接頭，16 mm長度攪拌頭表現(xiàn)較為穩(wěn)定，焊縫抗剪切性能相對(duì)較優(yōu).2.2 焊接接頭微觀金相 對(duì)第2組試樣的焊接接頭微觀組織進(jìn)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(qū)的分界線在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)是明顯不同.如圖3b,c所示,在前進(jìn)側(cè)，焊核和熱力影響區(qū)有明顯分界線，并且熱力影響區(qū)中的塑性流動(dòng)痕跡也很清晰；而后退側(cè)兩個(gè)區(qū)域的分界線要模糊一些，有一個(gè)較寬的過渡區(qū)域.出現(xiàn)這種情況的原因是在焊接過程中,隨著攪拌頭的不斷前進(jìn)，后退側(cè)附近的材料會(huì)不斷地隨著攪拌頭的外表面逆時(shí)針地流向攪拌頭的后方；前進(jìn)側(cè)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(dòng)方向與母材金屬塑性流動(dòng)方向相同或者相反,并且后退側(cè)的材料與前進(jìn)側(cè)的材料在溫度上也有差異，從而在前進(jìn)側(cè)熱力影響區(qū)與焊核區(qū)之間存在很大的相對(duì)變形差和組織上的差異，進(jìn)而在焊縫的前進(jìn)側(cè)熱影響區(qū)與焊核區(qū)之間形成明顯的分界面；而在后退側(cè)，焊縫材料塑性變形方向與母材金屬塑性變形流動(dòng)方向一致，母材金屬平滑地與焊縫材料一起變形，并且此時(shí)的溫度梯度變化小而平滑，從而后退側(cè)熱力影響區(qū)與焊核區(qū)的分界面并不是很明顯，存在一個(gè)模糊的過渡區(qū)域.圖3 攪拌摩擦焊接頭微觀組織Fig.3 Structure morphology of FSW joint 焊核區(qū)是受到熱循環(huán)和機(jī)械作用影響最嚴(yán)重的區(qū)域，組織變化程度最大，是合金元素過度飽和區(qū)域，該區(qū)域變形晶粒發(fā)生沉淀和回復(fù)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(qū)出現(xiàn)高密度分布的細(xì)晶沉淀相，從而抑制晶粒發(fā)生長大而發(fā)生再結(jié)晶反應(yīng)；在理想的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過程中，局部積累能的變化導(dǎo)致應(yīng)變誘發(fā)晶界的遷移，這種遷移和塑性流動(dòng)的不同將導(dǎo)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(nèi)部發(fā)展一直到每一個(gè)初始晶粒均發(fā)生再結(jié)晶，從圖3a可以看到該區(qū)的再結(jié)晶組織形貌基本一致，表現(xiàn)出一種無序、無方向性的特征.同時(shí)，焊核區(qū)的塑性流動(dòng)是非對(duì)稱的，這一點(diǎn)從有關(guān)前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)表現(xiàn)出明顯不同特征可以得到驗(yàn)證.熱力影響區(qū)在攪拌頭的劇烈攪拌作用引起的塑性態(tài)鋁的黏附作用下，在接近焊核區(qū)的小部分區(qū)域發(fā)生了局部破碎和黏附長大現(xiàn)象，而其它部分的組織發(fā)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(qū)域的晶粒尺寸比焊核區(qū)的要大，這主要是由于在焊接熱循環(huán)作用下發(fā)生回復(fù)和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶造成.2.3 焊接接頭顯微硬度 硬度檢測(cè)區(qū)域?yàn)閳D4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(tài)，即經(jīng)過固溶處理，自然時(shí)效，基體中有大量細(xì)小、彌散強(qiáng)化相，如θ相和T相析出，故母材的硬度最高；而在焊核區(qū)，距離焊核中心3 mm的區(qū)域硬度值最小，經(jīng)與圖3的對(duì)比參照可知，最小硬度值出現(xiàn)在熱力影響區(qū).由圖5還可以看到，前進(jìn)側(cè)與后退側(cè)的顯微硬度分布存在一定的差異，后退側(cè)比前進(jìn)側(cè)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(cè)材料“塞積”現(xiàn)象較嚴(yán)重，組織致密，晶粒變形大，畸變能增加.此外，強(qiáng)化相在后退側(cè)的大量聚集可能也是造成其硬度值相對(duì)較大的一個(gè)因素.在熱影響區(qū)內(nèi)，硬度值明顯低于母材.晶粒粗化和強(qiáng)化相的溶解導(dǎo)致硬度顯著降低，熱影響區(qū)受力和熱的影響，容易出現(xiàn)大尺寸和不規(guī)則晶粒，導(dǎo)致硬度值降低.而在焊核區(qū)，硬度相對(duì)鄰近區(qū)域有所提高，并在中心出現(xiàn)一個(gè)“峰值”，這與焊核區(qū)的形成機(jī)理有關(guān)，該區(qū)經(jīng)歷了攪拌針強(qiáng)烈的機(jī)械攪拌作用，晶粒得以細(xì)化，材料力學(xué)性能得到進(jìn)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(cè)區(qū)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(jié) 論(1)針對(duì)15 mm厚7N01鋁合金搭接接頭，在工藝參數(shù)分別為(焊接速度120 r/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速60 r/min)以及(焊接速度60 r/min，攪拌頭轉(zhuǎn)速450 mm/min)時(shí)，“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(wěn)定的焊接接頭.(2)從微觀金相得出焊核和熱力影響區(qū)的分界線在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)明顯不同，焊核區(qū)是受到熱循環(huán)和機(jī)械作用影響最嚴(yán)重的區(qū)域，組織變化程度最大.(3)焊核區(qū)是合金元素過度飽和區(qū)域，晶粒得以細(xì)化，材料力學(xué)性能得到進(jìn)一步提高，焊接接頭顯微硬度呈“W”形分布，在核焊區(qū)形成“峰值”硬度.參考文獻(xiàn)： [1] 張 華，林三寶，吳 林, 等.攪拌摩擦焊研究進(jìn)展及前景展望[J].焊接學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，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(duì)攪拌摩擦焊焊縫截面形貌的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28(5): 33-37.Ke Liming, Pan Jiluan, Xing Li , et al.Mechanical Influence 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第二篇：第八講培訓(xùn)的組織結(jié)構(gòu)與需求分析(下)

第八講培訓(xùn)的組織結(jié)構(gòu)與需求分析（下）

培訓(xùn)需求分析(下)

2.通過各種方法分析培訓(xùn)內(nèi)容

培訓(xùn)需求分析第二步是通過問卷法、訪談法、管理測(cè)評(píng)法、工作觀察法等確定員工所需要培訓(xùn)的技巧。

?問卷法

問卷法是最常用的方法，其應(yīng)用前提是員工具備一定的專業(yè)能力，了解自己的不足。該方法的弊端是員工對(duì)自己的意愿及不足未必十分了解，這樣就會(huì)導(dǎo)致問卷結(jié)果的隨意性。

【案例】

某公司進(jìn)行名為“創(chuàng)新思維解決問題”的培訓(xùn)，其間沒有講授溝通技巧，沒有介紹團(tuán)隊(duì)建設(shè)，事實(shí)上既沒能創(chuàng)新，又沒有很好地解決問題。所謂“創(chuàng)新思維”僅僅是標(biāo)榜潮流，培訓(xùn)課的目的在于解決問題，創(chuàng)新思維是無法培訓(xùn)的。

【自檢3-2】

通過員工問卷調(diào)查來了解培訓(xùn)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(jīng)理座談決定該員工的不足之處進(jìn)而確定培訓(xùn)需求的辦法。

?訪談法

訪談法即培訓(xùn)經(jīng)理通過與學(xué)員逐個(gè)訪談來判斷其不足之處的培訓(xùn)需求。

? 管理素質(zhì)測(cè)評(píng)法

管理素質(zhì)測(cè)評(píng)法，是國外人力資源管理發(fā)展的方向。管理素質(zhì)測(cè)評(píng)法指專門對(duì)行為進(jìn)行測(cè)試的方法，是一種利用心理學(xué)原理解釋某種行為現(xiàn)象的方法。通過測(cè)評(píng)問卷得出各種能力狀況：技巧、實(shí)踐管理、團(tuán)隊(duì)合作、溝通水平、行為標(biāo)準(zhǔn)化程度等。

【案例】

管理測(cè)評(píng)軟件在國外已經(jīng)得到應(yīng)用，比如測(cè)試員工能否在壓力下工作，規(guī)定接受測(cè)試的員工在十分鐘之內(nèi)算出一百道難度較大的算術(shù)題，十分鐘后交上試卷，再發(fā)同樣的一百道題，因?yàn)榇騺y順序所以無法回憶答案，只得重新算一遍。

如此反復(fù)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(qiáng)；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(jīng)理通過與員工一起工作一段時(shí)間來觀察其不足之處，一起工作時(shí)間越長就越能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)問題。工作觀察法的時(shí)間應(yīng)以月為單位。