铝/钢电磁脉冲焊接IMCs性能的计算与试验分析

采用第一性原理计算了铝/钢电磁脉冲焊接极窄焊缝Fe-Al金属间化合物(intermetallic compounds,IMCs)的不同晶面的热力学稳定性、表面能和电子功函数值,并结合界面微观形貌的扫描电子显微镜(scanning electron microscopy,SEM)、X射线衍射(X-ray diffraction,XRD)等测试方法,分析了焊缝可能存在的IMCs及其对界面腐蚀性能的影响.结果表明,第一性原理计算结果与试验数据基本吻合,计算得到铝/钢IMCs形成能和结合能均为负值,且满足热力学稳定结构,其形成能力强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),FeAl,FeAl_(3),Fe_(3)Al和FeAl_(2),稳定性强弱顺序为Fe_(2)Al_(5),Fe_(3)Al,FeAl,FeAl_(3)和FeAl_(2),其中Fe_(2)Al_(5)的形成能为-9.379 eV/atom,结合能为-13.612 eV/atom,是焊缝最稳定的相;电子功函数值对应的耐腐性由弱到强顺序为Al,FeAl_(2),FeAl_(3),Fe_(2)Al_(5),FeAl和Fe_(3)Al;能谱仪(energy dispersive spectroscope,EDS)分析表明,焊缝主要存在Fe_(2)Al_(5),FeAl_(3)和少量FeAl_(2),椭圆环形焊缝还存在FeAl,直形焊缝还有Fe_(3)Al;焊缝FeAl_(3)的电子功函数较小,在盐雾腐蚀介质中充当阳极,易被腐蚀,并随着腐蚀周期增长,焊缝主要相Fe_(2)Al_(5)充当阳极,并由直形焊缝向椭圆环形焊缝快速腐蚀扩展,至整条焊缝失效.

激光功率对205B铝合金激光-CMT复合增材组织及性能的影响

目的针对传统增材技术造成的205B铝合金组织均匀性差、气孔率高、强度低等问题,选用激光-电弧(CMT)复合增材技术为研究方法,探究激光功率对其组织均匀性和性能的影响规律。方法采用激光-电弧(CMT)复合增材技术实现了205B铝合金增材成形件的良好成形,并利用现代分析技术对材料的宏微观组织形貌、第二相分布、气孔、物相组成、显微硬度及拉伸强度进行表征。结果成形件中部区域呈现“凹弧形”层状结构特征且存在一定程度的组织不均匀性和各类气孔。激光功率对材料层间和层内宏微观组织及第二相分布有显著影响,当激光功率增加至1800W及以上时,层间“细晶带”特征明显且柱状晶组织逐渐消失。当激光功率为1600 W时,材料获得了最低的气孔率(0.85%),平均气孔直径为25.58μm,平均气孔数量为32。材料具有典型的拉伸强度各向异性,当激光功率为1600 W时,材料的横向拉伸强度和纵向拉伸强度均获得最大值,分别为265.65MP和235.75MPa。结论通过调节激光功率能够在一定程度上解决材料组织不均匀的问题并减小气孔率,从而提高了成形件的力学性能。

焊丝成分对2050铝锂合金焊接性能影响研究

采用十字搭接试验方法测定2050铝锂合金焊接裂纹敏感性,研究了焊丝成分变化对2050铝锂合金焊接结晶裂纹率、液化裂纹率的影响,并对焊接接头的组织形貌、断裂特征和力学性能等进行了测试和分析。研究结果表明:采用钨极氩弧焊匹配Al-Cu-Si-Ti-Sc-Ce-B系焊丝对2050铝锂合金进行焊接,获得的焊接接头结晶裂纹率K1和液化裂纹率K2均为0,其强度系数可达母材的70%。

ER5356焊丝用于7075铝合金MIG焊接头热处理性能

采用MIG焊使用ER5356焊丝进行3 mm厚7075铝合金对接焊,焊后接头进行T6热处理。通过光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电镜与能谱仪结合室温拉伸、显微硬度与电化学腐蚀分析接头组织、力学性能与耐蚀性。结果表明:焊接时熔池流动将母材熔化部位的Zn,Cu等合金元素带入焊缝,析出MgZn_(2)与AlCuMg相,成为焊缝进行热处理强化的基础;热处理后,大部分析出相溶入基体形成固溶+时效强化,接头抗拉强度提升20%,焊缝硬度提升18.4%,耐蚀性提高。但由于从母材流入焊缝的合金元素含量有限,焊丝与母材力学性能的差异与热影响区软化现象无法消除。

功率调制对激光振镜焊接铝合金的影响

为了验证能量分布模式对异种铝合金焊接质量的影响,采用全域功率调制激光振镜焊接系统对6061和5052铝合金进行了对接焊试验.对比了传统激光焊(LW)和两种激光振镜焊接模式(恒功率-CP和梯度功率-GP)对焊缝成形、焊接气孔、显微组织和力学性能的影响.结果表明,光束振荡改善了焊缝成形,GP模式焊缝表面凹陷程度最小;振镜模式下焊缝等轴晶的比例比激光焊增多,其中GP模式焊缝等轴化程度最高,显示出最高的接头强度和熔合区硬度;GP模式焊接时降低了熔池温度梯度,使熔池产生了最大的过冷度和异质形核率,从而提高了焊缝中等轴晶的比例;振镜激光焊接改变了能量分布模式,降低了能量峰值;GP模式下焊缝中心的能量密度高于CP模式,使得焊缝熔合良好.

铝合金的电阻对接点焊模拟仿真与组织研究

利用Abaqus软件建立了厚度为4 mm的5052铝合金电阻斜坡对接焊过程的有限元模型,在相同参数下设计了工艺试验。分析了在不同的焊接工艺参数下,电阻斜坡对接焊的熔核形成过程与焊接过程的电场、温度场的关系,并通过对比金相试样与有限元模型运算结果验证了模型的准确性。结果表明:电阻斜坡对接焊的熔核为沿接触面生长的椭球形,工件厚度对熔核的生长方向起到了一定的导向作用,同时由于铝合金材料属性与焊接结构的不同,在焊接初期在下电极轴心处形成了一片电流集中区域。同时讨论了电流的最小压降原理在斜坡对接中的作用机理,为进一步研究电阻偏心点焊焊接过程积累基础科学数据。

丝材感应预热对电弧增材制造铝合金薄壁构件组织和性能的影响

铝合金电弧增材制造过程稳定性不足,精度较低,容易产生各种缺陷。为优化铝合金增材制造工艺,研究了丝材感应预热工艺对铝合金电弧增材制造的优化作用与效果,以TIG电焊机为热源,采用ER4043焊丝在纯铝基板上增材制造薄壁构件,探索感应预热焊丝工艺参数对成形件微观组织与硬度的影响。经过单道试验和增材制造薄壁试样,得出热丝工艺的堆积效率相较于冷丝工艺增加了11.1%,成形形貌更加均匀,气孔数量大幅减小,硬度增加了25%~35%。感应预热焊丝工艺对铝合金增材制造技术的优化效果显著。

基于逆向重构的不规则缺陷电弧增材修复研究

采用自制焊接材料,配合主要由Tardis激光视觉相机构成的智能视觉逆向重构系统和由ABB工业机器人、Fronius焊机等构成的电弧丝材增材系统进行人工制造不规则缺陷丝材增材制造修复试验,利用超声探伤、光学显微镜、扫描电子显微镜、能谱分析、性能测试等手段进行不规则缺陷电弧增材成形尺寸偏差、缺陷、组织及性能分析,对丝材电弧增材制造在大型部件不规则缺陷修复的产业化应用进行阐述。结果表明:缺陷深度在30 mm时,采用先边缘再内部填充的路径进行丝材电弧增材制造形成的熔覆金属在成形厚度上尺寸偏差为2 mm;在自动化修复过程中,针对该材料需要每层进行清渣以保证增材熔敷金属质量,避免夹渣缺陷出现;丝材电弧增材制造熔覆金属由铁素体和渗碳体组成,连续作业下不同层数熔覆金属因冷却速度其组织粗化程度差异较为明显,所修复的缺陷区域熔覆金属强度提高4%~5%,延伸率及冲击功下降4%~10%,整体上仍然较为接近焊接材料检验中纯熔覆金属性能。通过逆向重构和丝材电弧增材制造相结合,可以实现大型部件的大尺寸不规则缺修复应用。

不同融融连接方式对轨道车辆铝型材性能影响的研究

通过对多腔体铝型材不同融融连接方式样品进行宏/微观组织、拉伸性能、折弯性能、弯曲性能及硬度对比分析。研究表明,由挤压所形成的融融连接接头各项力学性能高于搅拌摩擦融融连接接头,在挤压过程中所形成的粗晶会降低材料的力学性能,所以应在挤压过程中严格控制粗晶的产生;在大结构铝型材产品中,由于同时存在多种融融连接方式(搅拌摩擦和挤压融合),所以建议在使用搅拌摩擦连接的焊接端头应适当的增加母材厚度,从而增加该位置的强度。

超声滚压对5083铝合金焊接接头表面性能的影响

对5083铝合金MIG焊接头进行表面超声滚压处理,对比分析了超声滚压处理前后接头表层微观组织、表面形貌、表面粗糙度、硬度、残余应力等表面性能变化,并测试了接头的耐腐蚀性能。结果表明:表面超声滚压处理后,接头表层金属发生了明显塑性流变,表层晶粒发生一定程度细化;接头表面粗糙度值明显降低,其中热影响区降低最明显,Ra值由2.93μm降至0.155μm,表面变得光滑平整;接头表面硬度增加,焊缝区提高最明显,由97.92HV升至124.67HV。超声滚压处理后接头焊缝附近的残余拉应力全部转变为-300 MPa左右的残余压应力。耐腐蚀试验结果表明,超声滚压处理后接头的表面耐腐蚀性能得到一定程度的提高。

2A14-T6铝合金厚板电子束焊接头的显微组织及力学性能

对24 mm厚2A14-T6铝合金板开展了电子束焊接试验,获得了最佳的焊接工艺参数。结果表明:接头变形小、深宽比大,探伤结果为I级。接头各微区组织具有差异性,焊缝中心组织为树枝晶,近熔合线处的焊缝组织为柱状晶,热影响区组织为粗化的扁长纤维状组织,沉淀强化相颗粒增多,过时效区组织与母材相近,均为扁长纤维状组织。焊缝区晶粒内有少量沉淀强化相,晶界上存在由铜、硅等元素与基体相形成的共晶相,呈网络状分布;母材区有细小的Al_(2)Cu沉淀强化相及呈条状分布的大块共晶相。焊缝区显微硬度最低,热影响区硬度随距焊缝中心距离增大先上升后下降,母材区的最高。接头的平均抗拉强度和断后伸长率分别为387.7 MPa和3.4%,微观断口有撕裂棱和少量大而浅的韧窝,为脆性为主的韧脆混合型断裂。

轨道车辆铝合金长大薄壁脉冲复合磁控高效弧焊工艺研究

利用外加磁场改善电弧焊焊接工艺,具有成本低、附加耗能少、易操作等优点,已成为当今研究的热点之一。针对高速MIG焊时焊缝成形不良及焊接接头质量差等问题,在焊枪上装配一紧凑型脉冲复合磁场发生器,同时调控电弧和熔滴的左右摆动及前倾行为;并开展不同焊接参数下的铝合金车体长大薄壁型材对接接头焊接工艺试验,以研究高速焊条件下的最佳焊接工艺。研究发现,对于铝合金车体焊缝,励磁参数为8A、120 Hz,焊接参数为265A、23.5 V、1.2 m/min时,焊缝成形质量最佳。利用金相显微镜以及背向散射电子衍射(EBSD)技术表征了不同焊接参数下焊接接头的微观组织,分析了外加脉冲复合磁场对焊接接头组织的影响。结果表明,在高速焊接条件下(>1.0 m/min),焊接接头的晶粒相较于常规焊速时明显粗化,且熔合区宽度有所增加。然而,引入脉冲复合磁场后,晶粒尺寸和熔合区宽度均降低至与常规焊速相当的水平。开展不同焊接参数下的焊接接头力学性能测试,结果表明,外加脉冲复合磁场对焊接接头的机械性能具有显著的改善作用,焊缝区的平均硬度提高了21.37%,而接头的平均抗拉强度达到187 MPa,与传统焊接速度时的193 MPa相当接近。在保证焊缝成形质量和接头机械性能的前提下,最终将焊接速度从0.75 m/min提高到1.2 m/min,实现了优质高效的焊接过程。

基于焊接速度的6082铝合金FSW接头组织与力学性能调控研究

为研究焊接速度对6082铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头微观组织和力学性能的影响,并建立基于焊接速度的FSW接头组织与性能调控规律。通过金相观察、电子背散射衍射(EBSD)分析、硬度测试、室温拉伸和弯曲试验等手段,对四种不同焊接速度(500 mm/min、750 mm/min、1000 mm/min、1250 mm/min)下FSW接头的微观组织和力学性能进行表征。结果表明,随着焊接速度的增大,FSW接头的微观组织发生显著变化。焊核区(NZ)发生连续动态再结晶,形成细小的再结晶晶粒组织,其平均晶粒尺寸从3.8μm减小至2.3μm,再结晶分数从83%减小至57.3%;热机影响区(TMAZ)发生部分动态回复和部分动态再结晶,晶界处出现少量细小等轴晶粒,晶内形成大量亚晶组织。亚结构比例和小角度晶界比例显著增加,分别为69.2%和60.1%;受焊接热影响,热影响区(HAZ)相比母材区(BM)的晶粒尺寸略有增大,再结晶程度和晶界角度分布与母材相似。力学性能方面,随着焊接速度增大,FSW接头硬度最低值从72.3 HV增大至81.2 HV,焊接系数从74.7%提升至89.0%,热影响软化区明显缩小,但在1250 mm/min焊速下FSW接头背弯试样产生裂纹。基于焊接速度的调控模式,1000 mm/min焊接速度下FSW接头具有最优的力学性能。

6061铝合金搅拌摩擦增材堆焊工艺研究

采用搅拌摩擦增材制造技术进行A6061铝合金表面堆焊工艺试验。采用光学显微镜和扫描电镜观察堆焊层的晶粒组织形貌,分析工艺参数对堆焊层形状尺寸和晶粒尺寸的影响,并进行拉伸性能测试。结果表明:在其他工艺参数不变的情况下,金属棒料的旋转速度为338 r/min,送料速率为440 mm/min,刀具底部与金属底板表面的间隙为2.8 mm时,热塑变材料在长度方向的堆焊铺展效率最高;堆焊层的晶粒尺寸随着送料速率逐渐增加,表现为先显著减小而后逐渐趋缓;堆焊层的晶粒尺寸随着金属棒料旋转速度增加而增加;堆焊层各区域中的晶粒尺寸大小排列顺序为:中心>上方>下方;堆焊层材料的抗拉强度和屈服强度均略高于锻件材料,两者的延伸率则基本相当,堆焊层拉伸断口为典型延性断裂形貌。

薄壁异质铝合金MIG角焊缝热裂纹萌生机理研究

为研究焊接热裂纹萌生机理,以薄壁7003铝合金型材与6111铝合金板材MIG焊接所得角焊缝裂纹失效件为研究对象,采用渗透探伤、金相观察、扫描电镜、能谱分析、硬度分布等手段分析了焊接裂纹的萌生机制。研究结果表明:位于板材侧的焊接裂纹1、2均为液化裂纹,其长度分别为4235.2μm和1357.4μm,且裂纹2距焊缝边缘最近距离约为165μm;型材侧和板材侧的硬度分布的数值方差分别为7.66和76.89,板材侧波动更大且硬度最大差值达34.32 HV,表明板材受焊接热影响组织与性能恶化更为严重;能谱分析表明裂纹周围的杂质相为沿晶偏聚分布的硬脆AlFeSi低熔点共晶相,其熔化温度低于铝合金熔点且会导致晶界韧性降低,熔化后形成晶间液膜受焊接收缩应力影响易被撕裂导致沿晶液化裂纹的萌生。通过对比分析焊前、焊中、焊后三种状态,研究了晶粒尺寸、焊接应力、低熔点杂质相对铝合金焊接液化裂纹产生机制差异性的影响。

电弧熔覆和激光喷丸对轨道交通用Al-Zn-Mg合金疲劳扩展和腐蚀性能的影响

为了提高再制造修复铝合金的服役性能特别是疲劳性能和抗腐蚀性能,以轨道交通用具有代表性的Al-Zn-Mg合金板材为研究对象,在研究合金疲劳行为的基础上模拟实际服役条件对合金造成的损伤。通过不同的电弧熔覆工艺和激光冲击强化技术对产生裂纹的样品合金进行修复,综合比较了修复前后合金的服役性能差异。研究发现,与传统电弧熔覆相比,结合激光冲击强化的电弧熔覆能显著提高合金的疲劳抗力和耐蚀性,电弧熔覆结合激光冲击强化的样品在低应力因子强度范围内展现出更低的疲劳裂纹扩展速率,并在高应力因子强度范围仍维持较低的扩展速率,显著提升了疲劳寿命,同时也降低了晶间腐蚀深度,增强了合金的抗腐蚀性能。该研究结果可为轨道交通用铝合金结构件的服役寿命延长和腐蚀控制提供理论依据和科学指导。

高强铝合金焊接对板材性能的影响

高强铝合金板在焊接过程中,热影响区的存在会导致板材性能下降,影响其使用寿命。为了探究温度试验对高强铝合金板的影响,并优化焊接工艺参数与板材选型,对热影响区的温度变化梯度与层间温度进行了系统研究。采用局部加热、匀质化受热模拟和热影响区层间温度模拟三种方法,分别对高强铝合金板进行受热模拟试验,并对比分析不同温度下板材的显微硬度、强度、延伸率、显微组织和晶粒尺寸等性能指标。研究发现,高强铝合金板的硬度随温度升高而先升高后降低,500℃是固溶强化的拐点温度。固溶处理可以增强板材的力学性能,但过长的固溶时间会导致晶粒粗大,降低强化效果。焊接过程中,热影响区对板材性能的影响范围约为6 mm,超过9 mm范围外,板材性能呈梯度分布。通过局部受热模拟工艺的调整,可以使焊接过程中呈现梯度分布的热场能量得到均质化处理,从而获得焊后性能分布优良的铝合金板材。

基于内聚力模型的无针搅拌摩擦点焊-胶接混合连接接头拉剪性能研究

针对铝合金薄板的连接,提出了一种无针搅拌摩擦点焊-胶接混合连接工艺。基于内聚力模型,利用有限元软件ABAQUS模拟无针搅拌摩擦点焊-胶接混合接头的拉剪失效过程,研究了不同焊点排布方式及胶粘剂种类对混合接头力学性能的影响。结果表明,焊点排布方式对混合接头的拉剪载荷没有明显影响,但会影响混合接头内的裂纹扩展行为;使用柔性胶2015混合接头的拉剪峰值载荷和破坏位移均大于脆性胶AV138混合接头。该混合连接工艺为铝合金薄板提供了一种高强度、低变形的连接方案,在汽车轻量化领域具有应用前景。

6063-T5铝合金散热器厚板搅拌摩擦焊工艺研究

为探索大型宽幅翅片散热器铝合金厚板的FSW工艺,采用厚度为20.5 mm的6063-T5铝合金翅片散热器挤压型材作为试验材料,通过静龙门式二维生产型设备进行FSW。焊后利用光学显微镜、显微硬度仪和电子万能拉伸试验机对接头进行了金相分析、显微硬度分析和拉伸、弯曲力学性能测试。试验结果表明,在转速600 r/min,焊接速度140 mm/min的焊接工艺参数下,接头抗拉强度为158.0 MPa,为母材强度的87.7%;焊缝区相比母材有一定程度的硬度降低,接头存在两个明显的硬度软化区,分别是前进侧和后退侧热影响区,最低硬度值约33 HV;接头拉伸断裂方式为韧性断裂,接头弯曲到180°均不发生断裂。证明该FSW工艺可以获得表面成形良好、无宏观缺陷的焊接接头,其显微组织和力学性能测试结果满足工程应用要求。

Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金电弧增材修复工艺及组织性能研究

针对Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金焊丝,分别采用脉冲CMT(CMT-P)、脉冲MIG(MIG-P)与变极性TIG(TIG-V)对轨道交通常用5083铝合金材料进行修复,对比研究不同电弧增材工艺修复样件的微观组织及力学性能。结果表明:Al-Mg-Sc-Zr高强铝合金焊丝在三种电弧增材修复工艺下均能形成细小的等轴晶组织,且焊缝区分布着大量Al3(Sc,Zr)粒子,这些粒子能够有效细化晶粒尺寸并提高力学性能。修复样件抗拉强度均可达母材强度的90%以上,其中,CMT-P热输入最小,基体强度受热输入影响损失最小,仅1.3%,修复的5083铝合金抗拉强度为293 MPa,达到母材强度的94%;TIG-V及MIG-P热输入相对较大,修复后抗拉强度分别为283 MPa、290 MPa,但基材强度受热影响损失较大,分别为16%、8.7%。