Zn中间层对大直径铝/钢连续驱动摩擦焊摩擦扭矩及接头界面微观组织的影响

大截面铝/钢复合结构件在连续驱动摩擦焊焊接过程中需要长时间的摩擦才能使界面金属从弹塑性转变为粘塑性状态,长时间的摩擦会导致构件焊缝处产生厚且不均匀的脆性Fe-Al金属间化合物,影响接头的整体性能。摩擦焊过程中铝/钢界面的预置中间层相当于物理扩散屏障,阻碍Fe、Al原子的互扩散,抑制脆性Fe-Al金属间化合物的形成。采用钢侧焊接面添加/未添加Zn中间层的Q235低碳钢棒和1060纯铝棒进行连续驱动摩擦焊接,对比分析焊接过程中的摩擦扭矩、温度以及焊后界面微观组织。结果表明:Zn中间层可以降低焊接过程中的初始峰值扭矩和峰值温度,减小中心区域金属间化合物厚度。添加Zn中间层的接头局部最大抗拉强度提高7.8%,平均抗拉强度提高7%。中心区域的Zn中间层在焊接过程中被摩擦压力挤压到外缘,距中心R/2的区域形成韧性较好的Fe_(2)Al_(5)Zn_(0.4),距中心2 R/3的区域存在Zn元素偏聚现象。

锥形端面对铝/钢连续驱动摩擦焊温度场的数值模拟研究

接头结构设计是连续驱动摩擦焊的一项重要工艺措施,对改善界面产热功率的不均匀性和提升接头力学性能有显著作用。本工作在钢侧待焊端面设计5°、10°、15°、20°、25°的锥度角,利用ABAQUS进行有限元分析,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了焊接过程的三维热力耦合模型,分析了锥度大小对接头成型、温度场分布、塑性金属形成的变化规律,并开展焊接实验,验证了计算结果的准确性。结果表明:接头宏观形貌、轴向缩短量与实验结果吻合较好,计算温度与实测数据相对误差约为3.5%~4.8%,变化趋势相同;锥形结构使界面高温区域发生移动,5°与15°接头2/3 R处温度最高,25°接头1/3 R处温度最高,产热集中位置向界面中心移动,产热集中区域宽度变窄,塑性环的位置、宽度与计算的温度场具有较好的一致性。

工艺参数对铝/钢旋转摩擦焊接头组织的影响

随着技术的发展和不同材料生产设备的需求,近年来以摩擦焊方法制造铝/钢复合结构已成为研究热点,而关于工艺参数对接头组织和界面断裂形式的影响需进一步研究。通过采用连续驱动摩擦焊实现不同工艺规范下1060工业纯铝与Q235低碳钢的焊接,利用SEM、EDS及XRD等手段测试分析了焊接界面金属间化合物层的形态特征及组成,并对拉伸断口形貌进行观察。结果表明,不同工艺参数下摩擦界面生成的金属间化合物层厚度相差很大,主要集中在(1/2~2/3)R区间,中心区域最小,其厚度随着摩擦时间的增大而增加,随着顶锻压力的增大而减小。同时由于界面金属间化合物的差异,使得界面不同位置拉伸断口呈现不一样的形貌,以准解理断裂和塑性断裂的综合断裂方式为主。

热电耦合对铝/钢连续驱动摩擦焊接头组织的影响机理

采用连续驱动摩擦焊技术焊接纯铝1060/Q235低碳钢异质接头,开展两个周期(30天/60天)热电耦合实验(静载392 N+高温300℃+直流60 A),研究热电耦合对铝/钢异质接头焊缝微观组织、力学性能及界面生长的影响。结果表明:原始态接头界面径向金属间化合物(IMCs)层厚度不均匀,中心区域无明显IMCs生成。热电耦合30天后界面中心生成宽度为0.3~0.5μm且以颗粒状由钢侧向铝侧弥散分布的IMCs层,整体拉伸断裂在铝母材的热力影响区。热电耦合60天后IMCs层与钢侧之间出现腐蚀沟槽,IMCs破碎,钢侧无裂纹产生,铝侧形成大量由IMCs层向铝母材内部扩展的裂纹和孔洞,焊缝及裂纹尖端处成分偏析,整体拉伸断裂在焊缝处。界面腐蚀和失效速率与界面IMCs层的厚度成正比,即v_(center)<v_(1/2 R)<v_(2/3 R)。由于原始态接头界面组织不均匀以及热电耦合实验过程中界面不同位置组织生长速率的差异,使得热电耦合后接头界面2/3 R位置出现不同断裂形貌的分界线,2/3 R内侧以准解理断裂方式为主,2/3 R外侧为韧窝断裂和准解理断裂的综合结果。

基于CEL方法连续驱动摩擦焊接过程数值模拟

利用ABAQUS有限元软件,采用耦合的欧拉-拉格朗日方法,建立了一个新的连续驱动摩擦焊接过程的三维热力耦合模型,分析了焊接过程接头成型、温度场分布、材料塑性变形的影响规律,通过与实验结果比较,验证了该模型的准确性。结果表明:接头宏观形貌、轴向缩短量与实验结果吻合较好,模拟温度结果与实测数据相对误差约为1.7%~4.8%,变化趋势相同;深塑区的位置、宽度与计算的温度场具有较好的一致性;此模型对异种金属摩擦焊接过程的计算具有潜在优势。

基于LabVIEW的异种金属复合构件热-力耦合电检测系统

异种金属连接构件在热-力耦合工况条件下服役时,在热、力的作用下异质连接界面会发生应力变形导致连接界面位置产生空洞、裂纹等缺陷。缺陷影响材料的导电性能,可利用电阻分析技术对裂纹的萌生和扩展进行监测。基于LabVIEW编程语言环境,利用数据采集卡及霍尔电流、电压传感器、温度、位移传感器设计了一套热-力耦合电检测系统。结合铝/钢连续驱动摩擦焊实例,通过分析动态电阻和延伸率的变化,得到复合构件在服役过程中接头失效机理。实践证明,该系统可为异种金属连接构件的实验研究及现场服役监测提供技术支持。

锥形端面对铝/钢连续驱动摩擦焊接头界面温度及摩擦扭矩影响的研究

铝/钢复合结构在汽车制造、能源、航空航天领域广泛应用,在连续驱动摩擦焊接(Continuousdrivefriction welding,CDFW)过程中,由于母材流动特性与径向摩擦扭矩分布不同,界面上的氧化物和杂质难以排出、界面产热功率与界面金属间化合物(Internetallic compounds,IMCs)不均匀分布等问题,将对接头性能产生不利影响。以1060纯铝和Q235低碳钢棒为研究对象,在钢棒待焊端面设计5°、10°、15°、20°、25°的锥度角θ开展焊接试验研究,分析不同锥度下界面温度、摩擦扭矩、能量输入及接头强度的变化规律。结果表明,随着锥度角的增大,初始峰值扭矩减小,稳态扭矩、后峰值扭矩、焊接全过程能量输入先增大后减小,初始摩擦阶段能量输入增大;10°~15°的接头径向方向的温度与强度变化趋于平缓。锥形结构使界面处热流的高温区域发生移动,20°之后峰值温度出现在1/3R附近区域,最高强度出现在1/2R附近区域。在CDFW过程,合适的锥度角可在焊接产热足够的情况下改善界面温度与力学性能的不均匀性,从而得到性能良好的接头,为异种金属的端面结构设计提供一定的理论指导。