铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术研究进展

铝/钢异种金属结构以其质量轻、设计柔性大的特点在航空航天领域尤其是大推力液体运载火箭输送管路中有着重要应用。相比于熔焊、钎焊等其他焊接方法,旋转摩擦焊可以实现铝/钢异种金属高质、高强、高可靠连接。本文基于对铝/钢异种金属焊接性分析,从工艺参数优化、界面显微组织分析、界面不均匀性调控和添加中间层金属冶金调控等方面综述了铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术研究进展,并对铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术发展趋势及亟须解决的科学问题进行了总结。

铝/钢异种金属搅拌摩擦焊性能改善方法及其研究现状

铝合金与钢的复合结构具有质量轻、强度高、成本低等特点,广泛应用于航空航天、船舶重工、汽车制造等领域。搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)作为一种新型固相连接技术,具有高效、节能、环保等优势,但利用传统搅拌摩擦焊获得的铝/钢异种接头仍然存在诸多缺陷。基于铝/钢异种金属搅拌摩擦焊的优化,本文对目前已经在铝/钢搅拌摩擦焊方面取得成果的辅助方式进行总结归纳,将其划分为机械结构式辅助FSW、中间过渡层辅助FSW、温度控制型外源辅助FSW和超声振动辅助FSW,并在此基础上进一步展望了铝/钢异种金属搅拌摩擦焊优化方法的发展方向。

板料组合方式对铝/钢异种金属板自冲铆接头性能的影响

采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究了在铝/钢异种金属板自冲铆接中不同的板料组合方式下材料受力及变形情况,并通过拉伸-剪切试验测试了铆接接头性能。研究结果表明:数值模拟中铆钉腿尾部及与之相接触的下板区域应力应变较大,更容易发生失效;在板料放置顺序上,厚板应作为下连接板以获得较佳的结构特征参数,数值模拟与工艺试验的成形接头结构特征参数基本一致;采用接头特征参数评价自冲铆接性能是可行的,接头自锁强度与自锁量和底部剩余厚度成正相关,接头自锁量和底部剩余厚度越大,其自锁强度越高;在足够高的自锁强度下,适当增大板料厚度可提升成形接头的拉剪性能。

铝/钢异种金属熔钎焊方法研究现状

铝/钢异种金属焊接技术中,铝/钢熔钎焊技术因其高效、应用范围广的特点越来越多地受到广大学者的关注。铝/钢异种金属熔钎焊技术主要包含电弧熔钎焊、激光熔钎焊、电子束熔钎焊和激光+电弧复合熔钎焊。概述不同熔钎焊方法的国内外研究现状,分析各种铝/钢熔钎焊方法的特点。在铝/钢异种金属电弧熔钎焊过程中,新型低热输入电弧焊方法可以实现焊接热输入的精确控制,获得性能良好的焊接接头;高能束焊接方法能够严格控制母材热输入量,焊接过程稳定,但对焊接结构的装配精度要求较高且设备一次性投入大;激光+电弧复合焊、电弧辅助激光焊集合了电弧焊和激光焊的优点,在铝/钢异种金属熔钎焊中具有广阔的应用前景。

铝/钢异种金属电弧辅助激光熔钎焊工艺

进行了铝/钢异种金属的电弧辅助激光熔钎焊试验,分析了激光功率、电弧电流、焊接速度、热源中心间距对金属间化合物层厚度和接头抗拉强度的影响,优化了焊接工艺参数。结果表明：在其他焊接参数不变的情况下,随着激光功率、电弧电流的增大,焊接速度、热源中心间距的减小,金属间化合物层厚度随之增加。电弧辅助激光熔钎焊的优化工艺参数为激光功率1.2 k W、电弧电流15 A、焊接速度10 mm/s,热源中心间距15 mm。在该焊接参数下,可以获得性能良好的焊接接头,其抗拉强度达到163 MPa,金属间化合物厚度小于10μm。

铝/钢异种金属电弧熔钎焊研究现状

铝合金和钢在高温下易反应生成多种金属间化合物,使铝/钢的焊接一直是焊接领域的一大难题。控制接头界面处金属间化合物的生成及其尺度,是成功进行铝/钢焊接的关键。电弧熔钎焊是解决铝/钢异种金属焊接全面走向工程应用的最具希望的几种焊接方法之一。文中综述了近年来铝/钢电弧熔钎焊研究的发展现状,分析了铝/钢电弧熔钎焊焊接性,重点探讨了控制金属间化合物生长的方法,包括减小焊接热输入、降低热源能量密度、添加具有抑制金属间化合物生长的合金元素、采用中间层等;总结了改善液态金属润湿性和铺展性的方法,包括采用镀层/覆层、采用钎剂、采用辅助磁场、进行预热或辅助加热等。最后提出了若干铝/钢电弧熔钎焊需要进一步解决的问题。

铝/钢异种金属钎焊与固相焊新技术:搅拌摩擦钎焊(FSB)与嵌入式搅拌摩擦点焊(EFSSW)

为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）,并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头,既避免了针的磨损,又获得了无匙孔的光滑外观;同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接,还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。

铝/钢异种金属激光焊接熔池形状的计算机模拟

通过建立数学模型和Matlab软件,对铝/钢异种金属焊接过程中的固/液相界面和汽/液相界面进行了计算模拟,分析了激光焊接工艺参数对熔池形状和熔深熔宽的影响。结果表明,固/液相界面的熔池深度明显要比汽/液相界面的熔池深,且在横向尺寸和移动方向上的熔池中固/液相界面的区域明显要比汽/液相界面的宽;铝/钢异种金属适宜的焊接工艺参数：激光焊接功率为1 600-1 800 W,焊接速度为25-40 mm/s,激光光斑直径范围为0.2-0.6 mm。

铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的研究现状

为了深入研究合金元素对铝/钢异种金属焊接接头的作用机理,以便为实际生产中焊接工艺的优化提供参考,综述了铝/钢异种金属电弧熔钎焊焊接方法及焊接接头的界面结构研究现状,并重点概述了合金元素对铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的影响。研究结果表明,在铝/钢异种金属电弧熔钎焊过程中,界面反应层的金属间化合物对焊接接头的力学性能有很大的影响。

基于BC-MIG焊的铝/钢异种金属增材制造工艺

以2 mm厚Q235镀锌钢板为基板,直径1.2 mm的4043铝合金焊丝为增材材料,利用BC-MIG焊工艺进行增材试验,得到了成形美观,性能优良的T型材结构.采用金相显微镜、显微硬度仪、万能拉伸试验机对接头的组织形貌、硬度分布、剪切性能进行研究,获得了沉积层的组织和力学性能的变化规律.结果表明,沉积层最底部靠铝一侧和靠钢一侧分别形成细长针状和带状Fe/Al化合物,沉积层中部由向上生长的树枝晶组成,而在沉积层顶部的组织没有定向生长的趋势.剪切试验表明,铝/钢异种金属T型材最大可承受2 108 N的剪切力,剪切角达到13.5°时,受力一侧堆焊层根部发生断裂,堆焊层上无明显裂纹.

添加不同合金粉末激光熔钎焊铝/钢异种金属接头的组织与性能

预涂分别富含硅、镁、锰、硼、锌元素的五种合金粉后,对不等厚5A06铝合金板和ST04Z镀锌钢板进行了激光熔钎对接焊,研究了焊接接头的显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能。结果表明:接头界面处形成了金属间化合物层,近镀锌钢侧形成的金属间化合物主要为Fe_2Al_5,近铝合金侧形成的主要为FeAl_3,预涂富含硼的合金粉得到的金属间化合物层最厚;接头均在焊缝处发生以韧性断裂为主,脆性断裂为辅的混合断裂,预涂富含硅的合金粉得到的接头的抗拉强度最大;预涂富含锰的合金粉焊接后,接头的耐腐蚀性能最好,预涂富含镁、硅、锌的合金粉焊接后,耐腐蚀性能依次降低,腐蚀易发生在金属间化合物层与铝合金界面处。

铝/钢异种金属旋转摩擦焊接研究现状

根据铝/钢异种金属焊接冶金特点及旋转摩擦焊接工艺特点,分析认为旋转摩擦焊最适合铝/钢异种金属轴对称件焊接的工艺。分别介绍了连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊接工艺对铝/钢异种金属焊接接头的组织和性能的影响。总结了铝/钢异种金属摩擦焊接技术研发中亟待解决的主要科学问题,铝/钢旋转摩擦焊过程中摩擦界面及其附近剧烈的塑性流变对IMCs生成的影响规律和机制需要进一步的研究;需要开发相应的工艺措施促进铝/钢接头界面上形成以Fe-Al IMCs为标志的冶金结合,并使IMCs层厚度均匀化。最终指明,研究揭示铝/钢摩擦界面IMCs生成机理、相的组成、形态、分布等冶金行为,对铝/钢旋转摩擦焊接头的组织性能调控具有重要意义,也是铝/钢异种金属焊接结构性能保证的理论基础。

铝/钢异种金属的焊接工艺与组织性能研究

以6008-T66铝合金板/H220YD钢板异种金属为研究对象,研究了焊接时间对异种金属焊接接头显微组织和力学性能的影响,并分析了焊接时间的作用机理。结果表明,当焊接时间从50 ms增加至400 ms过程中,铝/钢焊接接头中6008-T66铝合金板侧的压痕深度缓慢增加,而熔核直径逐渐增大,铝/钢焊接接头中心界面处的金属间化合物层的厚度呈现逐渐增加的趋势;铝/钢焊接接头的拉剪力随着焊接时间的增加呈现先增加而后减小的趋势,在焊接时间为300 ms时取得最大值;除了焊接时间为300 ms时,铝/钢焊接接头的拉剪试样以钮扣断裂方式失效外,其余焊接时间下的拉剪试样都断裂在结合面处。

铝/钢异种金属搅拌摩擦焊接头数值模拟

利用ANSYS有限元软件,建立铝/钢异种金属搅拌摩擦焊(FSW)双热源三维有限元模型,研究转速、焊速及偏移量对铝/钢异种金属FSW接头温度场及残余应力场的影响规律。结果表明:铝/钢异种金属FSW接头温度场呈明显不对称分布,钢侧温度明显高于铝侧,峰值温度出现在焊核区(WNZ)偏钢侧约4 mm处,约为512℃;垂直焊缝方向的纵向残余应力σ_x也呈明显不对称分布,σ_x峰值拉应力位于WNZ偏钢侧,达305 MPa,远离WNZσ_x迅速降低,并在轴肩边缘处拉应力转为压应力;随转速增大,峰值温度升高,σ_x峰值增大;随焊速增大,峰值温度和σ_x略升高;随偏移量增加,峰值温度略增大,σ_x略减小;与焊速和偏移量相比,转速对铝/钢异种金属FSW接头温度场及残余应力场影响较大。有限元计算的残余应力场与实测值基本吻合。

搭接方式对铝/钢异种金属激光焊接接头组织性能的影响

采用激光深熔焊对2 mm厚的AA6061-T4铝合金和1.5 mm厚的Q235镀锌钢异种金属进行焊接,主要针对铝上钢下和铝下钢上两种搭接方式进行比较研究。从接头截面形貌、组织表征、相分析、拉伸剪切性能等方面对两种搭接方式得到的铝/钢接头进行了比较。结果表明:铝上钢下接头的深宽比小于1,铝下钢上接头的深宽比大于1。接头中有氢气孔、锌蒸气孔及工艺型气孔等缺陷的生成。铝上钢下接头的整个焊缝金属由铁铝金属间化合物组成,该接头的平均抗剪强度为74.2 N/mm。铝下钢上接头仅在焊缝金属和铝基体之间形成一层金属间化合物,该接头的平均抗剪强度为163.4 N/mm。

BC-MIG焊在铝/钢异种金属增材制造工艺中的应用

增材制造技术已广泛应用于电子产品、汽车、航空航天、医疗国防等领域,增材制造技术可以大幅度缩短生产周期,降低制造成本,节省材料消耗和加工制造费用。本文阐述了BC-MIG焊工艺的特点,利用BC-MIG焊工艺进行了增材试验,得到了成形美观、性能优良的T型材结构,对其增材成形情况、微观组织特点和力学性能进行了深入分析。

铝/钢异种金属磁力脉冲焊接多物理场耦合有限元分析

铝/钢异种金属焊接接头易反应生成Fe-Al金属间化合物,恶化接头性能,使焊接成型困难。使用ABAQUS有限元软件模拟异种金属磁力脉冲焊(EMW)电磁-热-结构耦合过程,在最小能量下实现铝/不锈钢的高质量焊接。基于Box-Behnken响应曲面法设计试验,从电压(V)、间距(ds)和驱动板厚度(td)等工艺参数中提取重要参数。通过绘制Al/不锈钢焊接工艺窗口研究焊缝形成的可能性,并试验验证EMW仿真结果的有效性。通过分析最佳工艺参数下接头微观结构评估了接头成型质量。方差分析表明,在V=15 kV,ds=1.5 mm和td=1 mm下,可以获得用于高质量焊接的最大撞击速度。

几种铝钢异种金属熔钎焊工艺的对比与分析

采用脉冲旁路耦合电弧MIG焊、CMT及激光焊方法实现铝/镀锌钢板搭接焊,对焊缝界面微观组织、形貌及元素成分进行了观察分析,并测试了其力学性能.结果表明,三种焊接方法均可以实现铝/镀锌钢板异种金属的优质连接,获得成形良好的焊缝,搭接接头的抗拉剪强度均可以达到铝合金母材的80%以上,拉伸试样断裂在焊缝铝合金母材热影响区.当母材热输入及工艺合适时,三种方法下搭接接头界面处均形成一主要成分为Fe2Al5和FeAl3,平均厚度约为8μm的金属间化合物,而且控制金属间化合物的生成是获得铝/钢焊接优质接头的关键.

铝合金与不锈钢异种金属管TIG熔钎焊接研究

采用铝硅共晶焊丝对铝合金/不锈钢异种金属管进行了TIG熔钎焊接实验,研究了镀Zn层的挥发对接头性能的影响,分析了接头微观组织,测试了接头力学性能。研究结果表明,不锈钢表面镀Zn层能够增强液态钎料在钢表面润湿铺展及防止金属间化合物生成的作用,在多道焊过程中镀Zn层过热挥发失去了对钢表面的保护,在界面生成脆性的金属间化合物,并且Zn的挥发在接头中形成气孔缺陷;不锈钢界面层上部镀Zn层熔化严重,液态钎料对不锈钢产生溶蚀作用,Fe元素通过镀Zn层向液态Al-Si熔池中扩散,形成了枝晶状的Al-Fe金属间化合物,在界面层也生成了金属间化合物层,不锈钢界面层下部镀Zn层完整,起到了良好的保护作用;拉伸试件断裂于不锈钢与焊缝的界面处,接头为整体脆性断裂,抗拉强度达到105MPa。

铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术研究进展

铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术具有能量密度高、升温和冷却速度快、熔化位置控制精确、焊后变形小、自动化程度高等优势,特别适用于汽车制造行业。从铝合金与钢界面润湿铺展、界面微观调控、熔钎焊接头性能评价三个方面对国内外铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术的研究成果进行了综述,重点介绍了金属镀层、钎剂、母材热场对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面润湿铺展的影响,归纳了界面热场、辅助能场、坡口面角度、合金元素对铝合金与钢激光熔钎焊过程中的界面微观调控作用,总结了铝合金与钢激光熔钎焊接头性能的评价方法。并指出优质、高效、高可靠的铝合金/钢异种金属激光熔钎焊技术仍需要解决以下四方面的问题:钢母材表面钎料润湿铺展的精准可控;铝合金/钢激光熔钎焊界面反应的精确可调;铝合金/钢激光熔钎焊接头的高强韧设计;铝合金/钢熔钎焊接头性能的可靠性评价。