协同双面搅拌摩擦焊接技术

协同双面搅拌摩擦焊接(SDS-FSW)作为搅拌摩擦焊接技术的一种新的改进形式,显著改善了传统搅拌摩擦焊接变形大、焊接效率低等问题,对焊接质量也有提升作用,适用于大尺寸、大厚度的板材或型材的焊接。但目前SDS-FSW仍处于初始研发阶段,相关的理论及应用研究较少,研究成果主要集中在6061铝合金上。本文主要介绍SDS-FSW技术的发展历程、技术特点与典型研究结果及应用前景,以期为SDS-FSW技术的发展及实际工程推广提供参考。

Al−Mg−Mn−Er合金双面搅拌摩擦焊接头局部显微组织和强化机制

通过研究Al−Mg−Mn−Er合金双面搅拌摩擦焊接头的局部显微组织和强化机制揭示其软化机制。结果显示:焊核区形成细小等轴晶组织(5.61μm),而热机械影响区(45.32μm)和热影响区(100.73μm)仍为纤维状组织。从基体到焊核区,小角度晶界分数从75.6%降低到15.6%。退火效应导致位错密度从母材的1.8×10^(14)m^(−2)减小到焊核区的4.5×10^(12)m^(−2)。焊核区、热机械影响区和热影响区Al_(3)(Er,Zr)析出相的平均尺寸和体积分数与基体的(13.7 nm,0.13%)均接近。焊核区和热机械影响区的屈服强度最低,约为201 MPa;基体的屈服强度最高,约为295 MPa。位错强化和亚结构强化的损失是从基体到焊核区屈服强度降低的主要原因。

焊接速度对2219铝合金双面搅拌摩擦焊接头力学性能及残余应力的影响

采用FSW-5M型搅拌摩擦焊机对材料为6 mm厚的2219铝合金进行了不同二次焊速的双面搅拌摩擦焊接,并采用超声波应力测试法对2219铝合金双面搅拌摩擦焊的焊接接头残余应力进行了测量,测试面为二次焊接面,垂直焊缝布置为测试线,测试点分别为0 mm、±4 mm、±8 mm、±12 mm、±20 mm、±50 mm、±80 mm、±120 mm、±160 mm。结果表明:各不同二次焊速条件下的2219双面搅拌焊接头纵向残余应力总体分布趋势一致,焊缝及近缝热影响区为残余拉应力,AS侧和RS侧拉应力分布不对称,呈现双峰特征,纵向应力的最大拉应力出现在AS侧轴肩热影响区边缘处。横向残余应力总体水平较低,分布趋势也一致,焊缝区为数值较低的拉应力,横向应力的拉应力峰值出现在焊缝中心。随着二次搅拌头焊速的增加,2219双面搅拌焊接头残余应力水平升高,拉应力峰值增大,这是由于搅拌焊接速度提高使得单位时间内受搅拌头搅拌的金属材料减少,单位长度内的热输入减小,单位时间内温度扩散不充分,焊缝处材料的温度梯度增大、材料热应力增大,同时焊缝区金属材料的变形速率提高,使得材料加工硬度化,搅拌头在向前移动受到的阻力增加所造成的。

协同双面搅拌摩擦焊接6061铝合金工艺

针对常规顺序双面搅拌摩擦焊接(DS-FSW)的变形大、耗时长等问题,提出了一种协同双面搅拌摩擦焊接(SDS-FSW)技术,并通过研制的设备研究了SDS-FSW 6061铝合金接头的微观组织和力学性能。结果表明,当主轴转速为1 800 r/min,焊接速度为1 200 mm/min时,SDS-FSW焊接接头缺陷较相同焊接参数下DS-FSW接头的有所改善;在该焊接参数下,SDS-FSW接头的变形量(0.15 mm)远小于DS-FSW接头的变形量(1 mm),且接头的拉伸性能更好,SDS-FSW和DS-FSW接头的最大拉力分别为36.8 kN和34.9 kN。

铝合金双面搅拌摩擦焊初步研究

提出了双面搅拌摩擦焊这种新的焊接方法,对比研究了6K32-T4铝合金搅拌摩擦焊与双面搅拌摩擦焊接头的组织和硬度,并对双面搅拌摩擦焊焊缝进行了XRD分析。研究发现:铝合金双面搅拌摩擦焊与搅拌摩擦焊焊缝组织分区相同;双面搅拌摩擦焊焊缝的硬度略低于搅拌摩擦焊,且焊缝硬度下降区域范围更大;双面搅拌摩擦焊后焊缝依然保持为原有相组成;双面搅拌摩擦焊比搅拌摩擦焊焊接线能量更大,采用双面搅拌摩擦焊代替搅拌摩擦焊有利于提高焊接效率并消除焊缝隧道型缺陷、改善焊缝的性能。

AZ31镁合金双面对称搅拌摩擦焊接头疲劳性能

针对搅拌摩擦单面焊两侧热输入不均匀性导致疲劳强度低的问题,采用双面对称搅拌摩擦焊方法对10 mm厚的AZ31镁合金板材进行焊接,并研究其疲劳性能.结果表明,双面对称搅拌摩擦焊接头的屈服强度为130 MPa,与单面焊的屈服强度123 MPa相比提高了5%;其疲劳极限为88 MPa,比单面焊接头的50 MPa提高了76%;双面对称接头疲劳裂纹萌生在上/下侧的前进侧位置,并跨越上/下侧焊缝交界面,最终在下/上侧焊缝的后退侧RS区域瞬断,其疲劳断口均为以解理特征为主的脆性断裂.双面对称焊接头其中一面应变范围与单面搅拌摩擦焊的应变较高的后退侧接近.通过双面搅拌摩擦焊接的镁合金接头疲劳强度得到了大幅度提升,疲劳寿命得到了延长.

7N01铝合金双面搅拌摩擦焊接头的组织与性能

对7N01铝合金薄板进行正反面各一道次的双面搅拌摩擦焊(FSW),研究了接头的显微组织、硬度分布、拉伸性能和应力腐蚀敏感性。结果表明:FSW接头成形良好,焊核区为均匀细小的等轴晶组织,正反焊道交界处焊核区由于受到两次热-力耦合作用,晶粒较其他焊核区的细小,热力影响区晶粒发生剪切变形,呈条弧状,热影响区晶粒呈原始板条状;从焊核区到母材,硬度逐渐降低,正反焊道交界处的焊核区硬度高于其他位置焊核区的;在空气和质量分数3.5%NaCl溶液中,FSW接头均在热影响区断裂,热影响区为薄弱区;与母材相比,接头拉伸性能较差,应力腐蚀敏感性较高。

基于正交试验的双面搅拌摩擦点焊工艺研究

采用双面搅拌摩擦点焊工艺,以2 mm厚5052铝合金为研究对象,设计了四因素四水平的正交试验,研究了搅拌头旋转速度、进给量、进给速度及停留时间的匹配关系及对接头力学性能的影响。结果表明:搅拌头旋转速度是影响接头剪切力的四个因素中最主要的因素,使用最优工艺参数焊接的接头剪切力达到6.3 k N,接头显微硬度呈现W形,焊核区硬度与母材相当,约为83 HV,最低硬度出现在焊核区与热机影响区之间,约为45 HV。

5052铝合金双面搅拌摩擦点焊接头的失效分析

采用ANSYS软件模拟分析5052铝合金在焊接过程中温度曲线的变化及所受外力的变化趋势,以此为基础分析5052铝合金双面搅拌摩擦点焊的显微组织及其对焊接力学性能的影响,对焊点端面和剖面金相显微组织进行分析,研究焊接失效的原因。在研究5052铝合金焊接接头时发现,导致接头失效的主要原因是:在接头的塑性区未能充分熔合,存在细小的裂纹;在动态静止区域有吻接裂纹,是导致焊接失效的主要因素;焊接试样进行拉伸试验时,断裂起始位置一般出现在搅拌区域边缘开始,至熔合区域结束。

耐磨铝硅铜合金的双面搅拌摩擦焊

对10 mm厚的铝硅铜合金进行了双面搅拌摩擦焊接,研究了焊接接头的显微组织及力学性能.研究表明,铸态金属晶粒和硅粒子在双面搅拌摩擦焊接过程中得到细化,硅颗粒分布均匀化.反面焊道比正面焊道的晶粒细化和硅粒子均匀化作用更明显.异向焊接的接头强度较低,所有接头均断在焊缝的前进侧.同向焊接的接头强度较高,接头断裂位置取决于焊接参数.选用搅拌头旋转频率为950 r/min、焊接速度为10mm/min的参数焊接时,同向接头表面成形好、内部无缺陷,其强度可达母材的87.4%.

旋转速度对异种厚板铝合金双面搅拌摩擦焊接头力学性能的影响

采用双面搅拌摩擦焊接方法成功实现了15 mm厚板铝合金5052-O/6061-T6的异种搅拌摩擦焊接,研究了搅拌头旋转速度对焊缝力学性能的影响。结果表明:随着搅拌头旋转速度的增加,其焊缝抗拉强度表现出先增加后减少的趋势,伸长率表现出较平稳的趋势;在搅拌头旋转速度为1600 r/min、焊接速度为90 mm/min工艺参数下,获得抗拉强度最大值为216.65 MPa,其伸长率为14.82%。

铝/铜异种金属双面搅拌摩擦焊接成形及接头力学性能

对12 mm厚的1060纯铝与T2紫铜进行了双面搅拌摩擦焊接,研究了焊接速度对焊缝成形与接头力学性能的影响。结果表明:在搅拌头转速为600 r/min的条件下,当焊接速度为30~50 mm/min时,焊接速度对接头力学性能影响较小,接头均断裂于铝母材一侧;当焊接速度为30 mm/min时,获得了无缺陷的焊接接头;当焊接速度为40~50 mm/min时,接头出现扁平状小孔洞缺陷,此时,由于搅入焊缝的铜与铝混合形成复合材料结构,增强了焊缝性能,因此,其接头强度仍高于纯铝母材的;当焊接速度超过60 mm/min时,热输入降低引起材料流动不足,在接头内形成贯穿焊缝的孔洞缺陷,使接头承载面积减小,抗拉强度降低。搅拌区中部受到搅拌头两次热力搅拌作用,硬度最高。此外,由于第一道焊缝引起工件变形,在相同下压量的情况下,第二道焊缝相对于第一道焊缝压力略低、热输入较小,使得焊缝底部(即第二道焊缝)的硬度低于焊缝上部(即第一道焊缝)的,且第二道焊缝更易出现孔洞缺陷。综合考虑焊接效率和接头性能,50 mm/min为最优焊接速度,此时接头性能与铝母材的相当,抗拉强度为75.6 MPa,伸长率为26%。

进给速度与进给量对双面搅拌摩擦点焊焊接质量的影响

研究了在使用双面搅拌摩擦点焊设备对2mm厚5052铝合金薄板进行焊接时,在2400r/min转速下,进给量与进给速度对焊接质量的影响,并分析了焊接接头的力学性能。结果表明:当电机转速固定时,焊接质量随进给量和进给速度的不同而变化,焊接接头的抗剪切力也随之产生变化,进给量与进给速度的合理搭配能显著提高焊接质量。

42 mm厚A7N01S-T5铝合金板双面搅拌摩擦焊接头组织及疲劳性能研究

对42 mm厚的A7N01S-T5铝合金板双面搅拌摩擦焊接头进行了组织分析、硬度测试。将接头分为上、中、下三层分别进行高频疲劳试验,通过S-N曲线、断口分析对接头疲劳性能进行研究。结果表明,焊核区微观组织为细小的等轴晶,热影响区组织相对母材有所粗化,前进侧热机影响区组织表现为高度扭曲变形,后退侧组织无明显变形;接头横截面中线的显微硬度分布呈"W"型,焊核区硬度相对母材有所下降,约为母材硬度的88%。距离焊缝中心约25 mm处的软化区硬度最低,约为母材硬度的72%;接头上、中、下三层疲劳极限相近,疲劳试样大多断裂于热影响区软化区,而"S"线缺陷的存在并未引发疲劳源。

6A02铝合金双面搅拌摩擦焊工艺及接头力学性能研究

分析20 mm厚6A02铝合金双面搅拌摩擦工艺对接头组织及常规力学性能的影响,并研究了拉伸和疲劳裂纹断口特征,研究结果表明:搅拌针针长的不同会明显影响6A02铝合金双面搅拌摩擦焊接头力学性能;当针长过短时,接头横向侧弯试样中心极易出现裂纹,疲劳试验在指定的循环载荷与应力比的条件下无法达到指定的循环次数即发生断裂;当针长与压入量匹配合适时,拉伸、弯曲与疲劳试验性能良好,同时发现接头抗拉强度随搅拌针针长的增加呈先增大后减小的趋势;当搅拌针针长为11 mm时,接头抗拉强度可达到244 MPa,为母材抗拉强度的82.7%。

关节铰接双面接触摩擦对医用机械臂影响分析

以医用机械臂为研究对象,同时考虑关节旋转铰接圆柱面及端面2处的摩擦,提出端面接触系数,利用达朗伯定理对医用机械臂进行动静力学分析求得两接触面处的法向接触力,并基于库仑摩擦模型求得两接触面摩擦力矩,结合拉格朗日方程建立了不包含摩擦及包含摩擦的2种动力学模型,通过仿真求解分析得出对于所研究的医用机械臂及结构相类似的机械臂,铰接端面处的摩擦对机械臂关节输出扭矩及末端位置影响大于圆柱面处摩擦的影响,端面接触程度越高造成能量损失越大,机械臂末端位置轨迹越混乱。

超厚铝合金水流冷却搅拌摩擦焊接头非均质微观组织特征分析

针对108 mm超厚5A06(H112)铝合金,采用水流冷却搅拌摩擦焊接方法解决了轴肩影响区因过热导致的孔洞缺陷,对接头全厚度的微观组织特征进行了测试分析。结果表明,双面焊缝组织具有上下对称性,在厚度方向仍存在微观组织的不均一性;对于单道焊缝,焊核区不同厚度位置的晶粒尺寸、金属化合物尺寸分布存在差异;近表面焊核区(NZ-upper)以及焊核重叠区(OZ)晶粒尺寸最小,金属化合物颗粒尺寸最小呈弥散分布;距离表面7~22 mm深度中上部焊缝存在粗晶区,区域内Al_(3)Mg_(2)颗粒有所长大,其与后退侧TMAZ的过渡位置发现线状偏聚的β相Al_(3)Mg_(2)、氧化物以及Mg_(2)Si。采用一种水平方向塑性材料堆积模型解释了金属化合物线状偏聚形成机制。

60mm厚度6061-T6铝合金板搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊接方法对6061-T6铝合金板进行了60mm双面对接焊实验,研究了搅拌摩擦焊接接头的微观组织与力学性能,结果表明:焊缝区微观组织沿厚度方向发生了不同程度的改变,焊接接头强度达到218MPa,为母材强度的70%;焊接热循环引发的金属强化相"重固溶"和"过时效"是接头力学性能下降的重要原因,其中前进侧热机影响区为焊缝薄弱环节。

6061铝合金厚板搅拌摩擦焊接头组织与耐蚀性

采用搅拌摩擦焊对30 mm厚的6061铝合金进行了双面对接焊,分别采用金相显微镜、显微硬度仪和电化学工作站对焊接接头的组织、硬度和耐蚀性能进行观察、测量和研究。金相观察显示,双面搅拌摩擦焊焊缝前进侧与母材有明显的分界,后退侧分界模糊;焊核区呈均匀细小的等轴晶。硬度测试表明,搅拌摩擦焊接接头硬度呈"W"形特征分布,硬度最低值出现在前进侧热影响区。腐蚀试验表明,双面焊焊核重叠区腐蚀电流(2.396 3×10^(-5)A/cm^2)较大,一旦开始腐蚀,腐蚀速度很快,耐腐蚀能力相对较差。

工艺参数对铝合金双面搅拌点焊力学性能的影响

对2mm厚5052铝合金进行了4种不同工艺条件的双面搅拌摩擦点焊,摸索搅拌头旋转速度、焊接进给量、焊接进给速度及焊接停留时间对点焊接头断面形貌和力学性能的影响。结果表明,当搅拌头旋转速度为2400r/min,焊接进给量为1.6mm,焊接进给速度为0.4mm/s,焊接停留时间为7s时,接头的抗剪力分别达到最大。