复杂载荷、极端环境下焊接结构疲劳寿命预测研究综述

焊接接头易出现缺陷和应力集中,在疲劳载荷作用下将成为疲劳裂纹萌生和扩展的薄弱区域。与均质材料相比,接头各区域微观组织及应力局部化使得焊接结构疲劳问题进一步复杂化。区别于理想实验条件,实际焊接结构服役环境复杂,疲劳寿命预测须考虑环境因素与焊接结构耦合特性。为此,对影响焊接结构的内在因素进行总结分析,从复杂载荷和极端服役环境两方面对现有焊接结构寿命预测模型进行综述,结合最新研究进展对改进焊接结构疲劳寿命评估方法提出建议。

搅拌摩擦固相沉积增材制造研究现状

基于搅拌摩擦焊与增材制造技术开发的搅拌摩擦固相沉积增材制造为金属增材制造提供了一种独特的固相加工路线,其具有适用材料范围广、构件综合性能良好、效率高、成本低等优点,在航空航天、武器装备等领域金属及金属基复材结构件制备方面具有广阔的应用潜力。鉴于搅拌摩擦固相沉积增材制造的独特优势,本文首先对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术的基本原理、完全耦合的热变形过程以及沉积层宏观成形进行了简单介绍,之后对增材沉积层微观组织演变和力学性能进行了重点论述,大量研究表明搅拌摩擦固相沉积增材制造中独特固相成形可使增材构件产生类锻造态显微组织,该技术已被逐步应用于结构件制备、修复、涂层加工等领域中。最后对搅拌摩擦固相沉积增材制造技术进行了展望,指出该技术未来需在仿真模拟、制造工艺、技术优化、质量监测、复杂构件制备等领域中进一步研究和突破。

基于图像形态学的焊缝区域提取与对比度提升技术

铝板焊接后可使用X射线进行焊缝内部缺陷检测,由于X射线成像存在噪声多、对比度低、焊缝区域边缘模糊、焊缝区域与背景区域灰度分布较为相似等问题,使用传统边缘检测方法效果欠佳。提出了一种自动提取焊缝区域并提高其对比度的方法,通过去噪处理、边缘检测、形态学操作等步骤,最终确定焊缝区域位置,并对焊缝区域内像素值进行线性变换,提高了焊缝区域的对比度。实验结果表明,该方法针对大批量的铝板X射线图片,都能够自动提高焊缝区域的对比度,具有良好的鲁棒性和准确性。

搅拌摩擦沉积增材2219铝合金组织及性能

在主轴转速250~350 r/min、横向移动速度50~150 mm/min工艺参数下进行2219-T87铝合金搅拌摩擦沉积增材(additive friction stir deposition,AFSD)实验,探究工艺参数与多层热循环对沉积层宏观成形、微观组织和力学性能的影响。结果表明:在主轴转速250 r/min,移动速度100 mm/min工艺参数下可获得成形良好的单道16层增材试样。增材区晶粒尺寸发生显著细化,在4~6μm之间,细小等轴晶组织取代沉积棒料粗大的无规则晶粒组织。增材试样发生剧烈的动态再结晶,整体再结晶晶粒在80%以上,试样底部(第1层)受到多次热循环影响,再结晶晶粒达到91.8%。增材区域织构基本由Cube、Copper、P和RtB四种再结晶织构以及S、T和Brass织构构成。增材试样的硬度和抗拉强度相比于沉积棒料都明显降低,其中,第16层沉积层硬度最大为80HV,约为沉积棒料母材的55.6%;第1~8层沉积层硬度均匀在60HV。增材区水平(longitudinal direction,LD)方向第9~16层和1~8层的平均抗拉强度分别为243.0 MPa和219.3 MPa,约为母材的60.0%和52.9%;平均伸长率为19.4%和24.5%,分别约为母材的181.1%和229.0%。增材试样LD方向断裂模式均为韧性断裂。

2195铝锂合金搅拌摩擦增材制造成形与性能研究

搅拌摩擦增材制造作为一种新型固相增材制造技术,能够有效避免高强铝锂合金元素烧损的同时获得高性能增材构件。本文提出自限位搅拌摩擦增材制造方法,以铝锂合金带材为原料制备多层增材结构件。结果表明,搅拌摩擦增材区内材料流动充分,层间冶金结合良好。增材层晶粒尺寸和沉淀相分布主要受热–机械效应影响,搅拌道次越少的区域,热机效应小,沉淀相越多,硬度越高。单层增材厚度1 mm,增材速率达200 mm/min,增材区硬度最高为126.8HV,达到2195–T8铝锂合金的79.3%。同时,由于部分Cu元素固溶于增材区,搅拌摩擦固相增材区的耐腐蚀性能优于母材。

7150高强铝合金自支撑搅拌摩擦焊接头成形与组织研究

为解决高强铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)背部需刚性支撑的问题,设计了自支撑搅拌摩擦焊分体式焊具,由上轴肩、搅拌针和下支撑体组成。采用下支撑体的结构设计可以进行7150-T77511铝合金的无垫板支撑FSW,并消除了传统FSW背部的弱连接缺陷。通过焊接工艺参数优化,当转速为550 r/min,焊接速度为500 mm/min时,焊缝成形良好,无内部缺陷。焊缝横截面组织呈“哑铃”形,工件上下层分别受上轴肩和下支撑体作用产生上焊核区和下焊核区,这两个区域的晶粒尺寸相近,相比焊核区晶粒更细小。

2195铝锂合金焊接缺陷固相准等强修复技术

针对2195铝锂合金搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)焊后匙孔缺陷,采用填充式搅拌摩擦焊(Filling friction stir welding,FFSW)开展固相准等强修复。该方法热输入低,界面处材料相互挤压,摩擦充足,材料流动混合充分,界面结合质量高。结果表明,通过额外填充棒的引入,匙孔缺陷得到有效填充,且搅拌摩擦处理有利于对修复区域的二次顶锻,促进修复界面的冶金结合效果。通过焊接工艺参数优化,当旋转速度为1600 r/min时,修复后接头的抗拉强度为358.1 MPa,达到了优质FSW接头的90.7%;断后伸长率为3.17%,达到了优质FSW接头的90.6%,实现了2195铝锂合金的固相准等强修复。

2195铝锂合金焊接缺陷固相准等强修复技术

针对2195铝锂合金搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)焊后匙孔缺陷,采用填充式搅拌摩擦焊(Filling friction stir welding,FFSW)开展固相准等强修复。该方法热输入低,界面处材料相互挤压,摩擦充足,材料流动混合充分,界面结合质量高。结果表明,通过额外填充棒的引入,匙孔缺陷得到有效填充,且搅拌摩擦处理有利于对修复区域的二次顶锻,促进修复界面的冶金结合效果。通过焊接工艺参数优化,当旋转速度为1600 r/min时,修复后接头的抗拉强度为358.1 MPa,达到了优质FSW接头的90.7%;断后伸长率为3.17%,达到了优质FSW接头的90.6%,实现了2195铝锂合金的固相准等强修复。

铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造技术

为解决固相增材制造过程送料不连续及层间界面弱连接的难题,提出了连续进给搅拌摩擦增材制造的方法,设计了一个带孔的储料腔和一个可对丝材进行热塑化并连续挤压的螺杆拓扑结构搅拌头.结果表明,Al-Si合金丝材经由送丝孔进入储料腔,搅拌头连续热塑化并向下挤压材料,搅拌针在堆积层间的搅拌作用有效地提高了堆积层间的界面结合能力,成功实现了铝合金连续进给搅拌摩擦增材制造成形并解决了层间界面弱连接的难题.单层增材制造堆积层厚度平均为1.2 mm,Al-Si合金增材制造成形件沿堆积方向的抗拉强度和断后伸长率分别为207.1 MPa±3.2 MPa和19.6%±5.3%,该技术为实现大型铝合金构件全固相增材制造提供了一种可行性方案.

Supervised descent method for weld pool boundary extraction during fiber laser welding process

In order to obtain a high-quality weld during the laser welding process, extracting the characteristic parameters of weld pool is an important issue for automated welding. In this paper, the type 304 austenitic stainless steel is welded by a 5 kW high-power fiber laser and a high-speed camera is employed to capture the topside images of weld pools. Then we propose a robust visual-detection approach for the molten pool based on the supervised descent method. It provides an elegant framework for representing the outline of a weld pool and is especially efficient for weld pool detection in the presence of strong uncertainties and disturbances. Finally, welding experimental results verified that the proposed approach can extract the weld pool boundary accurately, which will lay a solid foundation for controlling the weld quality of fiber laser welding process.

充压镦形对先进高强钢弯曲管状件回弹的控制效果

为了解决先进高强度钢弯曲管状零件存在的严重回弹缺陷问题,提出了一种利用充压镦形工艺来控制此类零件回弹的新方法。该工艺的力学原理是通过上模的合模运动(垂直于弯曲轴线),对弯管施加环向压缩使环向材料发生塑性变形和后继屈服,使内、外侧的轴向弯曲应力完全转化为轴向压应力,消除了由弯曲引起的内层压应力和外层拉应力之间的轴向应力差,实现了基本控制回弹的目的,这与拉弯法的力学原理正好相反。采用有限元分析和实验验证两种方法来揭示充压镦形控制管状件弯曲回弹的力学机理。研究结果表明,管材的弯曲回弹量随着压缩量的增加而减小,并且存在一定的临界压缩量。对于抗拉强度分别为600和800 MPa的先进高强钢,通过该方法可将回弹量降低95%以上。

5A06铝合金超声辅助激光填丝焊接焊缝成形及组织性能研究

利用超声换能器和光纤激光器对5A06铝合金进行了超声辅助激光填丝焊接工艺试验,对比分析了5A06铝合金激光填丝焊接与超声辅助激光填丝焊接的焊接特性.结果表明,采用超声辅助激光填丝焊接可以获得良好的焊缝成形,熔池的流动性和均匀性更强,焊缝背面熔宽显著增加.施加超声后接头抗拉强度达到293.1 MPa,延伸率达到13.1%,分别达到母材的92.9%和86.2%.焊缝熔合线附近的柱状晶区基本消失,超声波的引入增加了熔池内的形核质点,降低了形核功,促使原本生长为柱状晶的组织转为生成细小的等轴晶,焊缝中心区域的等轴晶尺寸集中范围由97~117μm下降到66~79μm.