超声振动对2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能的影响

采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊对第三代2195-T6铝锂合金进行焊接,研究超声振动对接头显微组织与力学性能的影响。研究表明,超声振动强化搅拌摩擦焊能够增强塑性材料流动,进而抑制焊接缺陷,提高无缺陷接头的临界焊接速度。在保证接头抗拉强度达到母材75%的条件下,超声振动强化搅拌摩擦焊的焊接速度和效率均高于常规搅拌摩擦焊。施加超声振动能够大幅提升较高焊接速度条件下的接头力学性能。超声振动强化搅拌摩擦焊接头的极限抗拉强度为449.5 MPa,达到母材的83.1%。超声振动强化搅拌摩擦焊接能够在保证接头质量的前提下提升临界焊接速度和焊接效率。

6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊温度场分析

为了分析超声振动对6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程温度场的影响,采用解析建模和数值模拟的方法,建立了超声辅助搅拌摩擦焊过程中接触界面摩擦系数模型和热力耦合有限元分析模型,开展了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊温度测量试验,结合有限元与试验结果进行对比分析.结果表明,仿真得到的工件表面温度分布曲线及取样点温度都与试验结果基本吻合,验证了建立模型的准确性;超声振动可以改变摩擦状态,降低焊接摩擦产热,减少峰值温度及高温区域的面积,振幅对焊接峰值温度影响的显著性高于频率.

根部加强的镁合金搅拌摩擦焊分析

常规搅拌摩擦焊中,不同厚度的材料所适配的最佳搅拌针长度也不相同,搅拌针过长或过短都会对焊接效果产生不利影响.为了解决这一局限性,提出了一种在焊缝背面添加适当厚度同种材料垫板的新型焊接工艺,在该工艺中,搅拌针长度大于被焊板材厚度,将垫板与母材焊接在一起,一方面,降低了对搅拌针长度的要求;另一方面,可消除焊缝减薄产生的不利影响.结果表明,采用该方法分析1.5 mm厚AZ31B镁合金的对接焊,接头抗拉强度最大可达母材的91.19%,此外,分析了焊缝横截面微观组织和显微硬度分布,通过所建立的卷积神经网络模型,对接头抗拉强度随参数变化的分布情况进行了预测,获取了最佳工艺参数.

航空铝合金薄板搅拌摩擦焊内部缺陷的超声相控阵检测

针对3 mm厚度下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测需求,基于典型缺陷特征以及缺陷对焊接接头性能的影响规律分析,明确了搅拌摩擦焊无损检测应重点关注的缺陷类型;设计了不同深度和尺寸的隧道以及未焊透缺陷模拟样件,利用模拟缺陷样件验证了超声相控阵检测技术对铝合金搅拌摩擦焊中1 mm埋深0.2 mm孔径的隧道缺陷以及1.6 mm埋深2 mm长、0.2 mm深未焊透缺陷的检测能力,对3 mm厚度下搅拌摩擦焊实际样件的检测结果与X射线检测结果及断口观察结果吻合,超声相控阵检测技术可以用于3 mm以下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测。

ZL101/6061铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能研究

采用搅拌摩擦焊接ZL101铸造铝合金和6061铝合金,转速为1000 r/min,研究不同焊接速度和压入量对铝合金接头组织和性能的影响。结果表明:当焊接速度为150 mm/min,压入量为6 mm时,铝合金接头的成型较美观;接头主要以α(Al)相为基体,在基体上分布着Al4Si第二相;铝合金接头的抗拉强度达到最大值,为92.53 MPa;焊接接头的硬度总体上呈“W”趋势,焊核区硬度高,热机械影响区的硬度略微下降,热影响区的硬度又有所回升。此工艺参数条件下铝合金接头的耐腐蚀性能最好,自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-0.6933 V和3.17×10^(-7) A/cm^(2)。

7075–O铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织与力学性能

时效硬化态7075铝合金搅拌摩擦焊接头塑性较低,给进一步变形加工带来困难。本文采用3 mm厚的7075–O铝合金板进行搅拌摩擦对接焊,研究焊接速度对接头组织和强塑性的影响,为获得高塑性的搅拌摩擦接头提供解决方案。结果表明,7075–O铝合金接头焊核区为细小的等轴晶粒,随焊接速度的增加,焊核区平均晶粒尺寸呈先减小后缓慢增加的趋势,当焊接速度为40 mm/min时,焊核区晶粒尺寸最小,约为1.96μm。不同焊接速度下接头横截面显微硬度呈“凸”形分布,接头区域发生明显硬化,其中焊核区硬度最高,约为145HV。7075–O铝合金搅拌摩擦焊工艺窗口较宽,焊接速度在20~80 mm/min范围内接头强度均高于母材强度,焊接件伸长率达母材的82%,采用7075–O铝合金不仅能够克服时效硬化态7075铝合金搅拌摩擦焊接头的软化问题,而且能够获得更高的伸长率。接头弯曲试验结果表明,7075–O铝合金搅拌摩擦焊接头能够承受更大的弯曲角度,极限弯曲角达105°,具备更加出色的塑性变形能力。

一种利用自适应发射率模型补偿搅拌摩擦焊温度场的方法

针对目前搅拌摩擦焊温度场研究大多忽略热辐射作用或者采用固定发射率模型导致误差较大的问题,提出一种考虑粗糙表面的铝合金氧化膜生长过程的自适应发射率模型,对焊接温度场进行补偿研究。首先,考虑到搅拌摩擦焊过程中铝合金表面形貌的动态变化,采用二次曲面响应法确定焊接表面粗糙度及其与平均线单位长度平均值的交点数;随后,基于提出的自适应发射率,建立6061铝合金搅拌摩擦焊过程的完全耦合有限元模型进行数值模拟,并对模拟结果进行分析。结果表明:不同焊接条件下,基于自适应发射率模型所得结果与实验结果之间的最大绝对误差仅为11 K,表明采用自适应发射率的数值模型能够较好地再现焊接过程中的温度场,可为提高搅拌摩擦焊焊接质量提供支持。

搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真:不同本构方程的仿真效果对比

本构方程是搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真模型的重要部分。针对6 mm铝合金6061-T6板材FSW过程开展热-力-流全耦合仿真分析。为分析本构方程的形式对仿真效果的影响,在模型中分别采用Chen-Liu本构模型、Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型,并对仿真结果进行对比分析。仿真结果表明,Chen-Liu模型计算得到的FSW温度场及流动场与实验结果的吻合程度均高于Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型。究其原因,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型预测的流变应力较高,使得材料流动困难,搅拌头与工件之间的界面状态主要为滑动摩擦。相比之下,Chen-Liu模型能够体现材料在温度升高时的迅速软化现象,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,材料的剪切流变应力低于搅拌头/工件界面的摩擦应力,因而在摩擦作用下工件发生塑性流动,这降低了搅拌头/工件之间的滑动摩擦速度,从而使得滑动摩擦产热减少,且其减少量大于工件发生塑性流动产生的额外热量,从而使得采用Chen-Liu模型预测得到的焊接温度更低。综合来看,FSW过程温度场与材料流动速度场受材料本构模型影响归因于FSW的热-力-流全耦合效应。

2系铝合金的搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能研究

采用搅拌摩擦焊对铝板进行对接焊试验,具体形式为单面焊双面成型,采用拉伸机和显微维氏硬度仪对试样进行力学性能测试,利用蔡司金相与扫描电子显微镜研究母材和焊接接头的微观组织。结果表明,在微观组织方面,前进速度不变时,随旋转速度的增加,材料焊合区的组织更均匀,晶粒尺寸更为细小均匀致密;热机影响区存在有板条状的粗大组织和细小的等轴晶,且晶粒尺寸在逐渐变小;热影响区平均晶粒尺寸呈现增大的趋势。在硬度方面,焊接接头硬度热影响区最低,搅拌焊合区次之,热机影响区位于二者之间。在拉伸方面,不同焊接工艺下试样的拉伸断裂位置均在铝合金的焊接接头处,焊接接头断口呈现比较明显的韧性断裂特征。1000r·min^(-1)及100mm/min下的焊接接头的断裂伸长率为17.1%、抗拉强度可以达到410MPa,其焊接接头的力学性能最优。由此得出结论,铝合金搅拌摩擦焊可以获得性能比较优良的焊接接头,可为其他铝合金材料的FSW焊接提供技术参考。

6082–T6/7075–T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀行为

为提高航空、航天运载工具异种高强度铝合金零部件搅拌摩擦焊接接头在腐蚀环境下的服役可靠性,采用金相分析、电子显微分析和四点弯曲应力腐蚀法,对经过T6处理的6 mm厚6082–T6/7075–T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀行为进行了研究。结果表明,搅拌头转速1200 r/min、焊接速度80 mm/min条件下,6082–T6/7075–T6母材获得了具有“洋葱环”结构的致密、成形良好的搅拌摩擦焊接接头组织。6082–T6和7075–T6母材搅拌摩擦焊接接头四点弯曲应力腐蚀主要发生在后退侧的7075–T6铝合金一侧,而前进侧6082–T6铝合金一侧表现出较好的耐蚀性。这主要是由于异种铝合金母材电极电位差异导致焊接接头发生应力作用下的电偶腐蚀所致。此外,α–Al基体与第二相形成微区电偶对,以及焊接接头热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)存在的大角度晶界也是造成应力腐蚀的重要原因。

7075-T6铝合金双面搅拌摩擦焊接头的组织与性能研究

用2.5 mm针长搅拌工具对4 mm厚的7075-T6铝合金轧制薄板进行正、反面各一道次的双面搅拌摩擦焊(DSFSW)试验。研究不同焊接方向对焊接接头的显微组织、硬度、拉伸性能、断裂形貌及弯曲性能的影响。结果表明:焊接接头成形良好,焊核区为均匀细小的等轴晶组织,从焊接接头上表面至下表面焊核区晶粒尺寸先减后增,在焊核重叠区由于受到两次热力-耦合作用,重叠区晶粒较其他NZ更为细小,约为1.5μm。不同焊接方向的接头横截面硬度呈“W”型分布,焊接接头发生软化,硬度最低值出现在热机影响区与热影响区的交界处。因同向焊接接头的焊核区整体晶粒尺寸更细小,使其焊接接头的硬度更优异。拉伸试验中双面搅拌摩擦焊接头抗拉强度最高可达母材的90%。在相同热输入条件下,同向焊接头的抗拉强度明显优于异向焊接头,且断裂方式主要为韧性断裂。在弯曲试验中,双面搅拌摩擦焊接头在面弯与背弯试验时都能承受较大弯曲角度,使焊接接头具备更出色的塑性变形能力。

纳米SiC颗粒对镁合金搅拌摩擦焊接头性能影响研究

为提高AZ31镁合金焊接接头的综合性能,文章分别研究了无纳米SiC-1道次、添加纳米SiC-1道次和SiC-4道次的搅拌摩擦焊焊接接头,通过光学显微镜、显微硬度仪和拉伸试验机分析了焊接接头的微观组织与力学性能;利用电化学工作站研究了接头的腐蚀行为,采用扫描电镜、EDS和XRD分析了接头的腐蚀形貌、元素成分和物相组成。结果表明,搅拌摩擦焊焊接接头成形良好、无缺陷;接头焊核区组织为均匀的等轴状晶粒,焊接道次的增加可有效改善SiC颗粒的分布情况,异质形核位点的存在起到了晶粒细化的作用,提高了接头的力学性能;在3.5%NaCl溶液腐蚀试验中,含SiC颗粒的接头耐腐蚀性能提升,其中SiC-4道次的接头耐腐蚀性能最佳。

底部辅热镁合金搅拌摩擦焊接头的组织及性能研究

针对镁合金搅拌摩擦焊接头底部成形不良的问题,对4 mm厚AZ31B镁合金板进行底部辅热搅拌摩擦焊,研究了底部辅热对镁合金接头底部区域温度及组织性能的影响。结果表明:施加底部辅热后,焊缝底部散热减少,峰值温度得到提升。同时,底部辅热可以软化金属,提高材料的流动性,焊缝底部的孔洞缺陷消失,底部组织得到细化,接头的抗拉强度和伸长率得到提升。

高熔点材料搅拌摩擦焊用搅拌头夹具的结构设计

基于搅拌摩擦焊用搅拌头与机床的配合特点,文中提出了一种工装夹具的设计方案,采用成形连接,通过毂孔配合面传递载荷,法兰盘约束搅拌头轴向运动,分析了焊接和非焊接状态下的工装配合关系。以低碳钢焊接为例,计算夹具与搅拌头配合受载情况,结果表明,最大应力区分布在搅拌针中部圆周面,容易形成磨损带,夹具所受应力主要分布在机床与夹具配合的轴间部位和毂孔内部,主要由于毂孔与搅拌头端面直边存在剪切作用,应力最大115.96 MPa,安全系数为2,满足设计要求。根据搅拌头及夹具制备材料,提出了电火花或铣削等加工方法,并明确相关技术要求。

9Cr-1.5W-0.15Ta耐热钢搅拌摩擦焊焊缝组织和冲击性能分析

对9Cr-1.5W-0.15Ta耐热钢搅拌摩擦焊焊缝的微观组织演变和冲击性能进行了分析.结果表明,由于搅拌针剧烈的机械搅拌和焊接热循环的双重作用,搅拌摩擦焊缝区域内发生晶粒破碎、完全奥氏体化动态再结晶、晶界处M23C6相溶解和晶内M3C相析出,焊后较大的冷却速率抑制晶粒长大,促进了马氏体转变.在−100~20℃温度内进行了冲击试验,随着冲击试验温度的增加,母材和FSW焊缝的冲击吸收能量均表现为单调增大的特征,同时冲击断裂模式由脆性断裂逐渐转变为延性断裂.由于FSW焊缝中板条马氏体的形成、“针状”M3C碳化物的析出,FSW焊缝的硬度显著增大,并且在相同温度下FSW焊缝的冲击韧性发生降低,韧—脆转变温度由母材的−50℃升高至−40.2℃.

Zr-Sn-Nb-Cr-Fe锆合金搅拌摩擦焊工艺及焊缝组织和性能

文中对Zr-Sn-Nb-Cr-Fe锆合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)工艺、微观组织和腐蚀性能进行了分析.结果表明,采用W-25%Re的搅拌工具在转速250 r/min、焊接速度40 mm/min、顶锻压力10 kN、氩气保护条件下可以获得成形良好且无焊接缺陷的锆合金FSW接头.搅拌区(stir zone,SZ)剧烈的塑性变形促进动态再结晶、合金元素扩散和晶粒细化,晶粒尺寸随着转速增加而增大,同时SZ内在晶界位置处析出大量的形状不规则的第二相粒子.不同焊接参数制备的FSW接头在360℃、18.6 MPa中性水中腐蚀72 h后均表现为黑色、光亮、致密的氧化膜,但随着转速增加接头耐腐蚀性能降低.

外加能场辅助搅拌摩擦焊研究现状

搅拌摩擦焊作为先进固相连接技术,广泛应用于航空航天等领域,轻质高强材料及异种材料连接对常规搅拌摩擦焊的发展提出了新的挑战.近年来,外加能场辅助搅拌摩擦焊技术的兴起有效地解决了异种材料连接中塑化程度不匹配和界面金属间化合物导致接头脆化的问题.同时,这一技术也为解决高熔点材料流变应力大、塑性变形能力差以及焊具磨损严重、焊接效率低等问题提供了新的思路.文中综述了外加能场辅助搅拌摩擦焊的研究现状,包括感应加热、激光加热、电流加热、电弧加热和超声辅助等,从过程产热、材料流动、组织性能调控和耦合作用机制等方面分析了热能和机械能对接头微观组织和性能的影响规律,同时对未来的研究方向进行展望.

Al-Mg合金搅拌摩擦焊接头的组织演变及腐蚀性能

文中基于电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)和动电位极化等方法,探索了Al-Mg系合金AA5083-H112搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)接头的微观组织、腐蚀性能和力学性能,揭示了Al-Mg系合金搅拌摩擦焊接头微观组织的演变机理,明确了微观组织对其腐蚀性能和力学性能的影响规律.结果表明,5083-H112铝合金搅拌摩擦焊接头从母材区(base metal zone,BMZ)到焊核区(nugget zone,NZ)的组织演变规律符合连续动态再结晶机制.800 r/min下接头从BMZ到NZ的平均晶粒尺寸先增大后减小,大角度晶界(high angle grain boundaries,HAGBs)占比先减小后增加.随转速的升高,NZ的平均晶粒尺寸逐渐增大,HAGBs占比受焊接热输入及焊后冷却时间的影响先减小后增大.同转速下接头不同区域和不同转速下接头NZ的腐蚀倾向均呈现出与HAGBs占比正相关的规律,腐蚀部位主要在晶界,腐蚀形貌呈现出晶间腐蚀和剥落腐蚀的特征.接头各区域的硬度与微观组织相符,但对转速的变化不敏感.在600 r/min和1000 r/min转速范围内接头抗拉强度达母材的97%以上,同时断后伸长率与母材接近.

厚板搅拌摩擦焊多维动态压电测力仪研究

针对18mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊过程焊接力变化范围大、速度快,导致难以准确测量的问题,设计了一种大量程四支点压电测力仪,主向100kN、侧向8 kN。经理论推导发现测力仪上板厚度及跨距是影响传感器输出的主要因素,利用有限元仿真对二者进行参数化分析,在满足现有测力单元量程基础上确定了其合理取值。最后对测力仪进行了静态标定、动态冲击实验,结果表明:测力仪线性度误差小于0.62%、向间干扰小于0.65%,固有频率大于1000Hz,达到了焊接过程跨尺度多维力测试精度要求。

钛合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损机理及其涂层强化

为了提高钛合金搅拌摩擦焊搅拌头的寿命,在搅拌头表面增加涂层,对比研究表面涂层的作用机理。本文选用无涂层搅拌头和带AlCrN涂层搅拌头对TC4钛合金进行搅拌摩擦焊(FSW)试验,通过3D影像仪表征搅拌头的磨损情况,采用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对接头的组织及成分进行分析,研究了AlCrN基涂层对搅拌头的寿命影响规律。试验结果表明,对比无镀层搅拌头,带AlCrN基涂层搅拌头的有效焊接距离由600 mm增加到800 mm,且在焊接800 mm后,仍可获得成形良好,抗拉强度达到母材95.32%的焊接接头。另外,带AlCrN基涂层搅拌头的搅拌针和轴肩磨损率分别减少50.41%和22.41%,AlCrN基涂层可有效提高搅拌头的寿命。对比分析搅拌头的磨损情况发现,无涂层搅拌头的磨损包括磨粒磨损、黏结磨损和氧化磨损,其磨损过程主要包含3个阶段:初始磨损阶段、剧烈磨损阶段和稳定磨损阶段。比较而言,带涂层搅拌头的磨损过程则为“打断”和“撕裂”两个阶段。