2219薄板铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

以运载火箭助推器贮箱广泛应用的4 mm厚2219薄板铝合金为焊接对象,研制了浮动式双轴肩搅拌头,分析了内部塑性金属流动模式及特点,并推测出需匹配较低焊接热输入才能获得优质焊缝。工艺探索及优化试验结果直接验证了焊缝内部塑性金属流动模式及推测。接头宏观组织形貌分析结果显示:不同焊接速度下的焊缝横截面宏观形貌都可以观察洋葱环特征,且随着焊接速度提高,洋葱环特征越发增多,并从靠近前进侧的焊核区逐渐向后退侧孕育发展,这也有效验证了薄板铝合金双轴肩搅拌头的设计思路。薄板铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头横截面显微硬度分布均呈"U"型,接头显微硬度最低点位于焊核区与后退侧热机影响区的交界处。接头力学性能测试结果显示:随着焊接速度逐渐升高,接头抗拉强度逐渐升高,且当焊接速度达到350 mm/min时,接头抗拉强度达到最高值。铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接头延伸率整体较高,焊接速度对其影响不大。铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头正、背弯均可以达到180°无裂纹。基于立式纵缝搅拌摩擦焊系统成功实现了2 m长试片的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊,累计焊接长度达到60 m,且双轴肩搅拌头完整,未发现裂纹、扭曲或其他损伤。

世界级先进焊接技术创新突破——北京赛福斯特公司全面实现“浮动式”双轴肩搅拌摩擦焊接

＂搅拌摩擦焊技术＂被誉为21世纪最具革命性的焊接技术,历经近20年的技术研发和工程化推广,已经在国内外各工业领域得到了广泛应用。在其基础上发展起来的双轴肩搅拌摩擦焊技术针对薄壁结构、中空结构及其他复杂结构,如：曲线或双曲率结构件,有着更为显著的技术优势,为搅拌摩擦焊技术注入了新的活力。

2219铝合金中厚板双轴肩搅拌摩擦焊接头析出相分布特征及耐腐蚀性能研究

研究了2219-C10S铝合金10 mm中厚板在双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)过程中,在不同焊接速度下的焊缝金相组织和析出相分布情况,为提高2219-C10S铝合金BT-FSW的焊接接头质量和性能提供了重要参考。结果表明,由于在板厚方向上的热输入不均匀,导致在焊核中心区域出现了团状结构。在焊缝不同区域,析出相Al_(2)Cu的含量占比、大小和分布存在显著差异。在焊核中心区,析出相的面积占比和平均尺寸最小,且以颗粒形式呈现弥散分布,析出相颗粒的数目最多;轴肩影响区的析出相面积占比最高,轴肩影响区和热影响区的析出相尺寸近似。通过周期浸润腐蚀试验发现,母材区耐腐蚀性最差,热影响区和轴肩影响区其次,焊核中心区耐腐蚀性最优。

焊接工具偏移对双轴肩搅拌摩擦焊S线形态与接头力学性能的影响

采用传统双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)和新型偏移双轴肩搅拌摩擦焊(OBT-FSW)两种方法对6005-T6铝合金型材进行焊接,并对比分析两种方法对界面材料流动、“S”线形貌和接头力学性能的影响。其中,OBT-FSW通过将焊接工具朝后退侧偏移一定距离,增强对接界面氧化膜的搅拌效果。为模拟并对比两种焊接方法对对接界面氧化膜的搅拌效果,设计了焊接急停实验,并采用扫描电子显微镜观察焊缝元素分布和接头断裂形貌。结果表明,传统BT-FSW方法使对接界面氧化膜朝后退侧弯曲,并绕过搅拌针,最终在搅拌区形成连续“S”线;OBT-FSW通过将焊接工具朝后退侧(RS)偏移一定距离,可以增强对接界面氧化膜的搅拌效果,在搅拌区内形成弥散的“S”线,进而消除“S”线对接头力学性能的不利影响。OBT-FSW接头的抗拉强度和延伸率显著提升,拉伸性能的波动也显著降低,有效改善了接头的力学性能。

2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

对2219铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了焊缝成型、接头组织形态及力学性能。结果表明:2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝正反面成型美观,内部无缺陷,几乎无焊缝减薄。接头宏观形貌呈典型的"哑铃型",焊缝上下表面宽,中间略窄。从显微组织角度看,接头的焊核区、热机影响区、热影响区等组织特征与常规搅拌摩擦焊相似。双轴肩搅拌摩擦焊接头显微硬度分布趋势与常规搅拌摩擦焊接头相似,均为典型的"W"型,但双轴肩搅拌摩擦焊接头不存在各层异性。接头力学性能试验表明:双轴肩搅拌摩擦焊接头抗拉强度达到了318.3 MPa,延伸率为5.5%。接头断口形貌呈典型的韧性断裂。

双轴肩搅拌摩擦焊接实验系统研究

为了适应现代焊接实验教学的需要,研究了双轴肩搅拌摩擦焊接的数字化控制过程,介绍了双轴肩搅拌摩擦焊机、双轴肩搅拌摩擦头的基本设计原理,并对焊接过程中搅拌头的轴向力、平面受力及前导区温度进行了检测。基于搅拌头轴向力信号、平面力信号及前导区温度检测等环节,利用分体式双向可调节的双轴肩搅拌摩擦头,配以合理的焊接工艺参数,实现不同厚度试板的焊接与参数监控;最后基于Smith预估算法构建了搅拌头前导区温度控制系统。该套实验系统功能齐全,具备开放性和灵活性,可根据教学要求开展多项实验,有利于培养学生的科研素养、动手能力。

2A14-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接温度场研究

搅拌摩擦焊接过程的温度场分布对焊接接头质量有非常重要的影响。本文应用ANSYS有限元分析软件对2A14-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接过程的温度场进行数值模拟,研究了焊接过程试板表面和厚度方向温度分布特征。运用热电偶测温技术对试板特征点进行温度测量,分析各特征点温度变化规律,同时验证了模拟的正确性。

3mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能

采用固定双轴肩搅拌摩擦焊接技术对3mm厚6061铝合金板进行了拼焊试验,对其接头的显微组织与拉伸性能进行了研究。结果表明:在转速为1 500r.min-1、焊速为120mm.min-1的工艺参数下得到了良好的焊缝组织,焊接接头的抗拉强度为162.49 MPa;焊接高温时6061铝合金在空气中易氧化,导致焊缝截面出现明显的S线。

6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接扭矩特征

为了揭示6061铝合金BTFSW过程中焊接扭矩的特征,对扭矩进行了检测,分析了扭矩信号的频谱特征、扭矩峰值的变化特点、扭矩振荡与焊缝表面成形的关系.研究表明扭矩具有周期性,主要频率接近于2倍主轴旋转频率值,频差的存在说明了焊接区域存在搅拌头与不同速率的金属流之间挤压摩擦的叠加行为;当接触点温度小于500℃时,扭矩峰值随着焊接速度的提高而变大,随着旋转速度的提高而变小;正常较小的扭矩振荡不影响表面成形,但当接触点温度大于550℃、上下轴肩间距过小或焊接速度过小或旋转速度过大等时,扭矩易发生异常振荡.对进一步揭示深入研究BTFSW焊接机理、搅拌头三维受力特征及其与焊接参数、焊接质量的关系有着重要的推动意义.

不同轴肩组合对双轴肩搅拌摩擦焊接质量的影响

为了揭示不同轴肩端面对双轴肩搅拌摩擦焊接质量的影响,采用凹/凸四种组合的轴肩对8 mm厚的6061铝合金进行焊接试验,结合焊接转矩、输入功率、前导区温度检测手段,详细分析了不同组合焊缝表面成形、横截面宏观形貌、接头组织形态及力学性能。研究结果表明,在四种轴肩组合中,上凹下凹、上凹下凸的组合能产生纹路细腻、成形美观的焊缝,试样拉伸断口形貌呈典型的韧性断裂;凹/凹组合和凸/凸组合的焊缝关于厚度中心对称,但凹/凸组合的焊缝不再关于厚度中心对称;凹肩表面成形效果强于凸肩,凹肩侧表层焊缝的宽度明显大于凸肩侧对应宽度,且凸肩产生表面沟槽缺陷倾向大于飞边倾向;搅拌区凸肩一侧硬度明显高于凹肩一侧硬度,而在两侧的热影响区,凸肩一侧硬度均低于凹肩一侧硬度。

6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与力学性能

针对6 mm厚6061-T6铝合金板材,在主轴转速800 r/min,焊接速度150 mm/min参数下实现双轴肩搅拌摩擦焊接,并对一部分试件进行焊后热处理。对焊态试件和焊后热处理试件同时进行金相试验、拉伸试验和显微硬度试验对比分析。在焊态下,接头平均抗拉强度为203 MPa,达到母材的64%,接头在焊缝区32 mm的宽度区域内显微硬度出现不同程度的下降,显微硬度分布呈"W"型;接头经焊后热处理后,焊态下溶解消失的强化相重新析出,使接头组织重新得到强化,热处理态接头平均抗拉强度为292 MPa,达到母材的92%,整个焊缝区显微硬度均得到提高,焊态下"W"型显微硬度分布规律消除。

双轴肩搅拌摩擦焊接方法研究进展

双轴肩搅拌摩擦作为搅拌摩擦焊的一个重要变体,通过增加下轴肩实现自支撑,使搅拌摩擦焊技术应用于封闭结构(管或中空型材)的焊接。目前,双轴肩搅拌摩擦焊技术的研究与应用仍处于初始阶段,其相关理论研究尚不成熟。针对双轴肩搅拌摩擦焊的研究现状,从双轴肩搅拌摩擦焊方法分类综述了其发展概况,为双轴肩搅拌摩擦焊技术的发展和实际工程应用提供参考。

单面双轴肩搅拌摩擦焊接的数值模拟

基于任意拉格朗日欧拉网格技术建立了单面双轴肩和传统单面单轴肩搅拌摩擦焊接的数值模型,与通过Zener-Hollomon参数的晶粒预测模型结合,利用基于对数应变的等效应变率和截面峰值温度,计算了两种搅拌头作用下的焊缝截面晶粒尺寸。通过与试验数据和试验规律的对比,验证了模型的有效性。与传统单面单轴肩搅拌摩擦焊接过程的对比发现,采用单面双轴肩搅拌头,相同工况下平均晶粒尺寸下降,细晶有利于强化,因此,采用单面双轴肩搅拌头有利于得到性能更好的接头;采用单面双轴肩搅拌头,相同工况下平均晶粒尺寸的标准差减小,说明采用单面双轴肩搅拌头可以进一步提高焊缝截面不同部分的力学性能的均匀性。

6005A-T6铝合金型材双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能

采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺,对厚3.3 mm铝合金薄板型材进行了搅拌摩擦焊接,获得了成形良好的焊接接头。采用光学显微镜、显微硬度仪及电子拉伸试验机等对接头的组织与性能进行了研究。结果表明,轨道车辆铝合金车体结构薄板对接接头实施双轴肩搅拌摩擦焊工艺可行,在一定的工艺参数窗口,接头的抗拉强度、显微硬度均满足相关标准要求。

某雷达冷板双轴肩搅拌摩擦焊接工艺试验

文中介绍了某雷达MB8镁合金冷板的双轴肩搅拌摩擦焊接试验。双轴肩搅拌摩擦焊接技术对夹具设计以及应用环境的要求较常规搅拌摩擦焊接低。本试验中搅拌头转速设计为1000～1600 r／min，焊接速度设计为100～160 mm／min。通过测量冷板焊接接头处的拉伸强度和硬度，分析了焊接工艺参数对接头力学性能影响的机制。试验结果表明，MB8镁合金冷板双轴肩搅拌摩擦焊接接头处没有出现未焊透、气孔和夹杂等镁合金熔焊常见的缺陷，接头处的拉伸强度为199～211 MPa，平均拉伸强度达到母材强度的91％，接头处布氏硬度为30～39 HBS ，相比母材略有下降。试验结果说明双轴肩搅拌摩擦焊接技术非常适合用于冷板以及其他结构件的焊接。

单、双轴肩搅拌摩擦焊焊接接头性能对比与研究

分别采用单、双轴肩搅拌摩擦焊工艺对6mm厚7A05铝合金板材进行焊接实验,对比分析两种焊缝接头的金相组织、力学性能及显微硬度。实验结果表明,双轴肩搅拌摩擦焊能有效消除焊缝根部薄弱及未焊透等焊接缺陷,但双轴肩焊缝产生了非常明显的脆性倾向。双轴肩焊缝接头的抗拉强度可以达到母材的78%,达到单轴肩接头强度的84%。两种焊缝接头区域的显微硬度都低于母材,说明焊缝都发生了软化现象。

5mm厚6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的组织与性能

采用双轴肩搅拌摩擦焊技术对5mm厚6082-T6铝合金板进行了对接焊,研究了接头的显微组织与力学性能。结果表明:在主轴转速为500r·min^(-1)、焊接速度为400mm·min^(-1)条件下焊接后,接头的组织致密,焊核区晶粒细小均匀,热机影响区的晶粒变得狭长,热影响区晶粒粗化;接头的抗拉强度和屈服强度分别为232.75,161.04 MPa,均略低于母材的(272,229 MPa),其弯曲性能合格;显微硬度呈W形分布,硬度最小值出现在前进侧热影响区,为67 HV,焊核区的硬度为77.6HV。

焊接热输入对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝形貌与接头性能的影响

系统研究了焊接热输入对双轴肩搅拌摩擦焊接头焊核区轮廓和拉伸性能的影响.接头宏观组织形貌结果表明,随着焊接热输入因子的逐渐升高,双轴肩搅拌摩擦焊接头焊核区依次展现出"哑铃形"、"焊核变平"、"焊核凸出"轮廓.焊核凸出是高热输入条件下双轴肩搅拌摩擦焊接头特有的一种物理现象,且往往伴随产生内部孔洞型缺陷.焊核区轮廓形貌取决于双轴肩搅拌摩擦焊缝厚度中心沿径向向外运动的塑性金属流动场与热力影响区中部的相互作用.拉伸性能结果表明,随着焊接热输入因子的逐渐升高,双轴肩搅拌摩擦焊接头拉伸性能呈现出逐渐下降的趋势.

焊接速度对6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响

文中研究了转速和热输入特征值WP一定两种条件下焊接速度对6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响.结果表明,转速一定时,接头抗拉强度随焊接速度的增加呈先增大后减小的趋势;热输入特征值WP一定时,随着焊接速度的增加,接头的抗拉强度持续减小;接头呈现出三种断裂方式,分别为发生于热影响区的Ⅰ型断裂、发生于焊核区的Ⅱ型断裂和发生于热力影响区的Ⅲ型断裂;Ⅰ型断裂和Ⅱ型断裂为韧性断裂;Ⅲ型断裂为包含韧性断裂和脆性断裂的混合型断裂;接头拉伸断裂位置并非总出现在硬度最低处;焊接速度小于1 000 mm/min时,WP≤1有利于提高接头力学性能,而焊接速度大于1 000 mm/min时,WP>1更有利于提高接头力学性能.

5A06-O铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能

对4mm厚5A06-O铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊接试验,分析了接头组织演变与力学性能。结果表明:在参数合适的条件下,可获得无内部缺陷的5A06-O铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头。接头组织分为母材区、热力影响区、热影响区和焊核区。接头硬度曲线呈现出“N”型分布。接头的拉伸强度可达321 MPa(为母材的94%),伸长率可达14.38%(为母材的72%)。接头的断裂位置位于焊核,断裂形式属于韧性断裂,韧窝内粒子主要为Mg2Al3强化相和少量Mg2Si。