固相搅拌摩擦沉积增材制造技术研究进展

搅拌摩擦沉积增材(Additive friction stir deposition,AFSD)是一种先进的固相增材制造(Additive manufacturing, AM)技术。与传统基于熔融的增材制造技术相比,它具有增材结构致密、材料低变形和过程高效节能等优势,在航空装备制造、交通运输、机械制造等领域拥有广阔的应用前景。本文综述了AFSD技术的原理、优势、组织演变特点和应用情况。重点介绍了AFSD过程中“工艺条件-微观组织-力学性能”相关性的研究现状,沉积材料力学性能受材料流动状态、界面连接机制、微观组织演变情况的综合影响。列举了AFSD技术在大型构件整体制造、高性能涂层、表面缺陷修复等领域的应用。最后,对AFSD技术进行了展望,指出该技术在工艺与组织变化耦合、原位变形条件模拟、工具头设计和新材料增材等方面需进一步研究和突破。

基于改进麻雀搜索算法优化BPNN的电阻点焊质量预测

电阻点焊技术由于具有高效、自动化程度高等焊接特点,被广泛应用于汽车、航空航天和公共交通等制造领域,由于焊点在封闭状态下进行,焊接过程存在诸多影响因素且无法直接检测,因此,准确预测电阻点焊质量是生产过程中必不可少的环节.本文以2219/5A06铝合金为研究对象,在3种不同的装配条件(包括间隙和间距)下进行电阻点焊工艺信号的分析,并进行人工智能建模.为了提高电阻点焊质量评价的性能和效率,本文采用Logistic-Tent(LT)复合映射改进麻雀搜索算法(SSA)对反向传播神经网络(LT-SSA-BPNN)模型进行优化,模型的输入和输出分别为多信号融合后的变量和熔核直径.实验结果表明,与传统的标准反向传播神经网络(BPNN)模型相比,经过LT-SSA-BP模型优化后,预测结果的平均绝对误差(MAE)、均方误差(MSE)和均方根误差(RMSE)分别降低了36.17%、17.55%和51.75%.同时,LT-SSA-BP神经网络在添加了不同间隙和间距条件作为训练集后,其预测稳定性明显提高,可以成功预测电阻点焊质量.

侧向搅拌摩擦增材制造工艺优化与力学性能特征分析

为研究侧向搅拌摩擦增材制造工艺参数对增材区材料力学性能的影响,建立了响应面模型,对模型进行了回归分析,基于响应面法对工艺参数进行了优化,并通过方差分析验证了模型的可靠性。结果表明,在增材参数为旋转速度为982.81r·min^(-1),增材速度为36.147mm·min^(-1),下压量为2.428mm时增材区的最大抗拉强度为252.72MPa,断后伸长率为11.82%。根据工艺过程对最优工艺参数进行修正,随后进行5层侧向搅拌摩擦增材制造试验,并进行力学性能特征分析。结果表明,修正后最优工艺参数下增材区拉伸性能与母材性能相当,拉伸试件断裂方式为韧性断裂;后一层增材区硬度高于前一层增材区。

考虑相含量的TC17钛合金线性摩擦焊中的残余应力

为了获得准确的TC17钛合金线性摩擦焊中的残余应力,建立TC17钛合金弹性常数与相分数之间的数值关系。结合焊接区域的相分数,获得呈梯度分布的弹性常数,并将其引入轮廓法进行计算。结果表明,TC17钛合金的弹性常数与α相分数呈正相关,在宽度约4 mm的焊接区域呈现明显的梯度分布特征;若忽略相分数的梯度分布,计算残余应力时相对误差可达36.06%;修正后的残余应力呈双峰分布,在热影响区边缘处达到峰值,约为442 MPa。这说明考虑相分数的梯度分布是必要的。

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。

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.

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。

焊接参数对异种铝合金搅拌摩擦焊公差容限的影响

为了研究焊接参数对异种铝合金搅拌摩擦焊公差容限的影响,采用显微硬度测试、拉伸力学性能测试、扫描电子显微镜(SEM)等分析测试手段研究了不同焊接工艺参数下的A356与AA6061异种铝合金搅拌摩擦焊焊接头的力学性能及组织。结果表明,工件间隙从0 mm增至1 mm,焊接头抗拉强度显著下降,并产生肉眼可见的焊接缺陷;搅拌头规格保持不变,将焊接速度从120 mm/min降至80 mm/min,可促进材料流动从而提高对工件间隙的容限;搅拌针直径从4 mm增至6 mm,可提高焊接的公差容限,且材料融合程度明显提高,不再出现分层现象。

铝/镁异种材料搅拌摩擦焊工艺参数优化及组织特征分析

利用光学显微镜和电子背散射衍射仪研究1060铝/AZ31B镁异种材料搅拌摩擦焊接头的组织特征,并采用Box-Behnken方法建立响应面模型,对焊接工艺参数偏置量ρ、转速ω、焊速v进行优化。结果表明:热输入过高或过低时,接头焊核区的铝、镁两种材料混合不充分,甚至会产生孔洞;搅拌针偏置量会影响受搅拌的铝和镁材料的体积,当搅拌针偏置时铝和镁材料体积不均匀,也会导致焊核区的铝和镁混合不充分。通过分析响应面模型,结果显示焊速对接头抗拉强度影响最大,优化的工艺参数为ρ=0 mm、ω=1200 r/min、v=150 mm/min,此时接头的抗拉强度较高,其预测值为95.7 MPa。在该焊接工艺参数下,接头焊核区无缺陷且材料混合充分,组织呈现出良好的机械互锁特征,且焊核区因发生动态再结晶,得到均匀细小的组织,接头的实测抗拉强度为96.1 MPa,与响应面模型预测值基本吻合。

6082铝合金轴肩辅助加热摩擦塞补焊接头组织及温度分布

采用轴肩辅助加热方法实现了5 mm厚6082铝合金板匙孔类缺陷摩擦塞补焊修复,分析了摩擦塞补焊接头的组织和力学性能。结果表明:接头焊核区为细小等轴晶,结合面区为过渡区,轴肩影响区分层明显,热力影响区晶粒发生弯曲变形,热影响区保留了母材板条状组织。接头显微硬度均高于母材,在厚度方向上存在各层异性;抗拉强度最高达285.7 MPa,为母材的92.2%,断口呈韧性断裂特征。焊接热输入和材料热塑性变形,是接头不同区域显微组织存在明显差异的根本原因。

焊接工艺参数对旋转摩擦焊铝-铜接头弯曲性能的影响

对1070纯铝和T2纯铜进行了旋转摩擦焊接。研究了摩擦焊工艺参数对铝-铜接头弯曲性能的影响。采用电子探针显微分析仪检测了铝-铜接头界面的微观形貌和元素分布。结果表明:较短时间(2 s)摩擦焊制备的铝-铜接头(1号试样)弯曲试验时断裂于铝-铜界面,为脆性断裂,随着摩擦时间的增加,铝-铜接头弯曲试验时断裂于铝侧,为韧性断裂;以2~5 s的摩擦时间制备的铝-铜接头界面均未发现有明显的金属间化合物,但发生了成分变化;较短时间摩擦焊制备的1号试样成分变化区宽约1.6μm,较长时间(5 s)摩擦焊制备的4号试样成分变化区宽约2.7μm;较宽的成分变化区能提高铝-铜接头界面的结合强度,从而提高铝-铜接头的弯曲性能,较窄的成分变化区是弯曲试验过程中铝-铜接头界面断裂的主要原因。

铝合金回填式搅拌摩擦点焊研究现状

回填式搅拌摩擦点焊作为一种先进的固相焊接技术,能够有效避免液相焊接的固有缺陷,同时消除搅拌摩擦点焊带来的匙孔,因此,在铝合金、镁合金等轻质金属点连接领域有着无可替代的优势,受到了国内外学者的广泛关注。经过多年的发展,回填式搅拌摩擦点焊已经不再局限于早期的套筒下扎模式,而是出现了多种不同的类型和模式,如额外填充式搅拌摩擦点焊、两阶段回填式搅拌摩擦点焊等。本文综述了近年来回填式搅拌摩擦点焊在铝合金焊接领域的研究现状,涉及点焊过程的基本工作原理,焊接工艺及接头组织性能研究,以及焊接接头的常见失效行为分析。本文对工程中回填式搅拌摩擦点焊接头性能的优化、工艺参数的合理选择提供一定的借鉴作用。

石墨与金属焊接技术研究现状

石墨与金属焊接是实现材料性能优越化的有效途径。从介绍石墨与金属焊接技术需求和难点出发,重点综述了石墨与铝合金、铜合金以及其他合金钎焊、扩散焊连接领域的研究进展,总结了钎焊、扩散焊技术实现石墨与金属有效冶金结合的机理,分析了活性钎料在钎焊过程中的作用以及润湿性研究成果,简单概括了石墨与金属的连接性能,最后指出了当前焊接存在的问题、钎焊和扩散焊技术未来的发展方向,为进一步深入研究及工程应用提供理论基础及技术支撑。

基于相关性分析和SSA-BP神经网络的铝合金电阻点焊质量预测

基于电阻点焊过程中工艺信号特征,在不同间距、不同间隙和不同间距与间隙3种条件下,引入相关性分析方法分析工艺信号与熔核直径之间的相关性,并建立基于麻雀搜索算法-BP神经网络(sparrow search algorithmback propagation neural network,SSA-BP)的电阻点焊质量预测模型,将功率、焊接电流、焊接电压和动态电阻作为预测模型输入特征.结果表明,经麻雀搜索算法优化后的BP神经网络在测试集上的决定系数R2、均方误差(meansquare error,MSE)、均方根误差(root mean square error,RMSE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别为0.95,1.55,1.24和0.90,均优于BP模型.获得了功率、焊接电流、焊接电压和动态电阻与熔核直径的映射关系,可为焊接的工艺参数设计提供依据.

HSn70-1锡黄铜冷源辅助搅拌摩擦焊搅拌区的强化机制和应变硬化行为

采用冷源辅助搅拌摩擦焊对2 mm厚的HSn70-1锡黄铜进行对接焊接,并获得了无缺陷的焊接接头.利用光学显微镜、电子背散射衍射、透射电子显微镜和拉伸试验,分析搅拌区的微观组织及其对强化机制和应变硬化行为的影响.结果表明,干冰乙醇混合物的快速冷却作用不仅消除了热影响区,还抑制了搅拌区的位错回复和晶粒长大.搅拌区呈现具有较高位错密度的超细晶结构,搅拌区的抗拉强度为486 MPa,比母材提高了53.8%,断后伸长率也达到了30%,搅拌区屈服强度较母材提高了47.1%,其强化机制主要为固溶强化和晶界强化,但搅拌区的应变硬化行为主要受晶粒尺寸和位错密度的影响.由拉伸过程中产生的纳米尺度变形孪晶可协调塑性变形,并有效缓解应力集中,使搅拌区强度提高的同时仍具有良好的延展性.

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。

双面搅拌摩擦焊消除搭接接头的钩状缺陷研究

对于搅拌摩擦搭接接头来说,焊接过程中搭接界面的弯曲会形成钩状缺陷(Hook)。当接头受外力时,Hook往往会成为接头的薄弱环节,因此有必要将其消除。基于搅拌摩擦搭接焊过程中塑性材料会垂向流动而后挤压周边材料的原理,使用双面搅拌摩擦焊方法对铝合金板材进行搭接,试图消除搭接接头中的Hook;研究了焊接速度对搭接接头组织和性能的影响。结果表明,双面焊接是消除搭接接头Hook的有效方法,当焊速为150、200 mm/min时,接头中的Hook会被完全消除。焊缝区的硬度明显小于母材区的,且硬度最低点位于第二道焊接的热机影响区和热影响区处。随着焊速的提高,接头的拉断载荷先上升后下降,当焊速为100 mm/min时接头的拉断载荷最高,为14.0 kN。拉剪过程中接头呈现两种断裂模式,当焊速小于100 mm/min时,接头呈拉伸断裂模式;当焊速大于150 mm/min时,接头呈剪切断裂模式。

搅拌摩擦焊修复2A12铝合金蒙皮裂纹的接头显微组织与力学性能研究

针对1.5 mm厚2A12-T4飞机铝合金蒙皮裂纹缺陷,采用搅拌摩擦焊(FSW)工艺进行裂纹修复,对FSW接头的显微组织演变、力学性能特征及材料流动行为进行研究。结果表明:修复后接头表面成形较好,弧纹均匀清晰无明显缺陷产生,轴肩作用区边缘出现轻微飞边;接头宏观组织观察到明显的包铝层被搅拌进入基体的现象;接头横截面形貌呈梯形分布,分为母材区、热影响区、热力影响区及搅拌区;搅拌区晶粒发生动态再结晶,形成平均晶粒尺寸为2.68μm的均匀细小等轴晶,远小于平均尺寸为16.94μm的母材区晶粒;修复后接头抗拉强度为379.88 MPa,达到母材强度的91%;修复接头断裂位置发生在前进侧热力影响区附近,断面宏观较平整,但微观存在明显的撕裂棱及韧窝。

旋转速度对滚动摩擦沉积增材组织的影响

滚动摩擦沉积增材(Additive Friction Rolling Deposition,AFRD)是一种新兴的金属固态增材制造技术,特别适用于基于熔合增材制造方法易产生凝固缺陷的高强度铝合金。采用AFRD方法进行2024-O铝合金增材,获得全致密无缺陷的四层增材试件,利用金相显微镜、扫描电子显微镜对不同旋转速度增材试件宏观形貌、微观组织进行了表征。结果表明:(1)沉积层组织致密,无夹杂、裂纹等缺陷、相邻两沉积层之间形成良好的冶金结合。(2)沉积层呈现细小的轴晶粒组织,随着旋转速度升高,晶粒尺寸呈下降趋势。(3)沉积层第二相粒子呈现点片状分布于Al基体上,随着转速增大,第二相粒子趋向于细化与均匀。

铝/镁异种材料搅拌摩擦焊接头组织与拉剪强度

对7075铝合金与AZ31镁合金进行搅拌摩擦焊搭接实验,研究了接头的微观组织与拉剪强度。结果表明,铝合金为上板时,焊接表面光滑平整,焊接界面出现铝、镁混合带状组织;镁合金为上板时,焊接界面出现机械互锁结构;铝合金为上板,焊接速度为50 mm/min时的拉剪强度最高,约为68.5 MPa。