铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术研究进展

铝/钢异种金属结构以其质量轻、设计柔性大的特点在航空航天领域尤其是大推力液体运载火箭输送管路中有着重要应用。相比于熔焊、钎焊等其他焊接方法,旋转摩擦焊可以实现铝/钢异种金属高质、高强、高可靠连接。本文基于对铝/钢异种金属焊接性分析,从工艺参数优化、界面显微组织分析、界面不均匀性调控和添加中间层金属冶金调控等方面综述了铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术研究进展,并对铝/钢异种金属旋转摩擦焊接技术发展趋势及亟须解决的科学问题进行了总结。

铝/钢异种金属搅拌摩擦焊性能改善方法及其研究现状

铝合金与钢的复合结构具有质量轻、强度高、成本低等特点,广泛应用于航空航天、船舶重工、汽车制造等领域。搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)作为一种新型固相连接技术,具有高效、节能、环保等优势,但利用传统搅拌摩擦焊获得的铝/钢异种接头仍然存在诸多缺陷。基于铝/钢异种金属搅拌摩擦焊的优化,本文对目前已经在铝/钢搅拌摩擦焊方面取得成果的辅助方式进行总结归纳,将其划分为机械结构式辅助FSW、中间过渡层辅助FSW、温度控制型外源辅助FSW和超声振动辅助FSW,并在此基础上进一步展望了铝/钢异种金属搅拌摩擦焊优化方法的发展方向。

镁/钢异种金属搅拌摩擦焊的进展研究

镁钢异种金属的焊接研究在近些年愈发受到重视,因其可以在航空航天,航海以及汽车领域发挥出巨大作用。然而,不同焊接方式,工艺参数,焊接材料等所带来的各种问题成为阻碍技术进步的关键。尤其是金属镁与金属钢及其以各自为基底的合金具有相当大的物理和化学性质差异,两者之间难以通过现有的焊接方式实现可靠焊接。本文主要从镁钢异种金属的搅拌摩擦焊方法入手,介绍在此方法中,两者焊接所存在的具体问题,解决方式和发展前景。

几种铝钢异种金属熔钎焊工艺的对比与分析

采用脉冲旁路耦合电弧MIG焊、CMT及激光焊方法实现铝/镀锌钢板搭接焊,对焊缝界面微观组织、形貌及元素成分进行了观察分析,并测试了其力学性能.结果表明,三种焊接方法均可以实现铝/镀锌钢板异种金属的优质连接,获得成形良好的焊缝,搭接接头的抗拉剪强度均可以达到铝合金母材的80%以上,拉伸试样断裂在焊缝铝合金母材热影响区.当母材热输入及工艺合适时,三种方法下搭接接头界面处均形成一主要成分为Fe2Al5和FeAl3,平均厚度约为8μm的金属间化合物,而且控制金属间化合物的生成是获得铝/钢焊接优质接头的关键.

钛/钢异种金属电子束焊接技术的发展现状

由于电子束焊接具有高能量密度、精确可控的束斑尺寸和位置、低的焊接残余应力、无污染焊缝等优点,被认为是连接异种材料最合适的焊接方法。在分析钛/钢异种金属可焊性的基础上,归纳总结了电子束焊接钛/钢异种金属的特点,综述了国内外钛/钢异种金属电子束焊接研究进展,并对钛/钢异种金属电子束焊接的发展前景进行了展望。

铝/钢异种金属熔钎焊方法研究现状

铝/钢异种金属焊接技术中,铝/钢熔钎焊技术因其高效、应用范围广的特点越来越多地受到广大学者的关注。铝/钢异种金属熔钎焊技术主要包含电弧熔钎焊、激光熔钎焊、电子束熔钎焊和激光+电弧复合熔钎焊。概述不同熔钎焊方法的国内外研究现状,分析各种铝/钢熔钎焊方法的特点。在铝/钢异种金属电弧熔钎焊过程中,新型低热输入电弧焊方法可以实现焊接热输入的精确控制,获得性能良好的焊接接头;高能束焊接方法能够严格控制母材热输入量,焊接过程稳定,但对焊接结构的装配精度要求较高且设备一次性投入大;激光+电弧复合焊、电弧辅助激光焊集合了电弧焊和激光焊的优点,在铝/钢异种金属熔钎焊中具有广阔的应用前景。

铝/钢异种金属电弧辅助激光熔钎焊工艺

进行了铝/钢异种金属的电弧辅助激光熔钎焊试验,分析了激光功率、电弧电流、焊接速度、热源中心间距对金属间化合物层厚度和接头抗拉强度的影响,优化了焊接工艺参数。结果表明：在其他焊接参数不变的情况下,随着激光功率、电弧电流的增大,焊接速度、热源中心间距的减小,金属间化合物层厚度随之增加。电弧辅助激光熔钎焊的优化工艺参数为激光功率1.2 k W、电弧电流15 A、焊接速度10 mm/s,热源中心间距15 mm。在该焊接参数下,可以获得性能良好的焊接接头,其抗拉强度达到163 MPa,金属间化合物厚度小于10μm。

板料组合方式对铝/钢异种金属板自冲铆接头性能的影响

采用数值模拟与试验研究相结合的方法,研究了在铝/钢异种金属板自冲铆接中不同的板料组合方式下材料受力及变形情况,并通过拉伸-剪切试验测试了铆接接头性能。研究结果表明:数值模拟中铆钉腿尾部及与之相接触的下板区域应力应变较大,更容易发生失效;在板料放置顺序上,厚板应作为下连接板以获得较佳的结构特征参数,数值模拟与工艺试验的成形接头结构特征参数基本一致;采用接头特征参数评价自冲铆接性能是可行的,接头自锁强度与自锁量和底部剩余厚度成正相关,接头自锁量和底部剩余厚度越大,其自锁强度越高;在足够高的自锁强度下,适当增大板料厚度可提升成形接头的拉剪性能。

铝-钢异种金属电子束扫描焊接接头力学性能分析

针对2mm厚的3A21防锈铝合金和3 mm厚的304不锈钢采用对接的方式进行了不等厚板电子束扫描焊接。通过拉伸试验机、维氏硬度测试仪和扫描电镜等设备对接头的力学性能和断口形貌进行了测试和分析。结果表明:在合适的工艺下铝-钢异种金属电子束扫描焊接接头成形良好,无气孔、裂纹等缺陷;电子束流和电子束偏移距离对接头的力学性能有较大的影响,接头力学性能最大可达112.6 MPa,接近铝母材的87%。焊接接头由钢侧熔化区、铝-钢界面连接区和铝侧熔化区三部分组成,铝-钢界面连接区主要由脆硬的Fe-Al金属间化合物组成,是接头的薄弱环节。硬度的分布与接头的形貌有关,铝-钢界面连接区的硬度最大,铝侧和钢侧熔化区的硬度都分别要比铝母材和钢母材的硬度高,接头的断裂方式为韧脆混合型断裂。

激光离焦量对镁/钢异种金属激光-TIG复合焊的影响

采用激光-TIG电弧复合对接填充镁合金焊丝的形式连接镁/钢异种金属。焊后进行拉伸试验和扫描电镜测试,主要研究不同激光离焦量条件下镁/钢接头的成形、截面形貌、力学性能、断裂位置及界面元素分布。结果表明:随着激光离焦量的增加,在焊缝正面的铺展宽度逐渐增大,而背面的铺展宽度逐渐减小,镁/钢对接界面底部的结合变差,焊接接头所能承受的最大拉伸载荷逐渐减小,最大载荷为离焦量+2 mm的接头,拉伸载荷可达3 367 N(断裂在钢母材侧),断裂形式随离焦量增加由韧窝断裂转变为脆性断裂;对界面分析可知性能最好的+2 mm离焦量接头界面出现Al元素富集的过渡层,实现镁/钢之间冶金连接,而当离焦量大于+6 mm的接头下部界面出现未熔合缺陷。

铝-钢异种金属激光熔钎焊工艺研究

为了实现高强度铝-钢钎焊接头,以车用08Al钢和铝合金为试验对象,以填粉方式选用纯铝粉末作为钎料,进行了异种金属激光熔钎焊接试验研究。综合能量散射光谱能谱分析和X射线荧光衍射物相分析,接头界面处的金属间化合物主要有FeAl,Fe2Al5和Fe4Al13。研究了添加钎剂对接头整体成形及激光偏移量对接头形貌和力学性能的影响。结果表明,钎剂的添加改善了接头成形缺陷,提高了焊趾区的润湿性;当激光偏移量为0.8mm^1.6mm时,形成了有效的熔焊接头,且随着激光偏移量的增加,接头润湿角由35°增加到54°,反应层的金属间化合物厚度逐渐减小,抗拉性能呈先提高后降低的趋势;在激光偏移量为0.8mm时,接头润湿角为38°,反应层金属间化合物厚度8μm,平均机械抗力达到210N/mm,具有较高的工程应用价值;焊缝润湿角、连接宽度和反应层金属间化合物厚度共同决定了接头的机械抗力水平。该研究对于保证车身激光焊接质量提供了技术支持和重要的指导意义。

铝合金与不锈钢异种金属管TIG熔钎焊接研究

采用铝硅共晶焊丝对铝合金/不锈钢异种金属管进行了TIG熔钎焊接实验,研究了镀Zn层的挥发对接头性能的影响,分析了接头微观组织,测试了接头力学性能。研究结果表明,不锈钢表面镀Zn层能够增强液态钎料在钢表面润湿铺展及防止金属间化合物生成的作用,在多道焊过程中镀Zn层过热挥发失去了对钢表面的保护,在界面生成脆性的金属间化合物,并且Zn的挥发在接头中形成气孔缺陷;不锈钢界面层上部镀Zn层熔化严重,液态钎料对不锈钢产生溶蚀作用,Fe元素通过镀Zn层向液态Al-Si熔池中扩散,形成了枝晶状的Al-Fe金属间化合物,在界面层也生成了金属间化合物层,不锈钢界面层下部镀Zn层完整,起到了良好的保护作用;拉伸试件断裂于不锈钢与焊缝的界面处,接头为整体脆性断裂,抗拉强度达到105MPa。

铝/钢异种金属电弧熔钎焊研究现状

铝合金和钢在高温下易反应生成多种金属间化合物,使铝/钢的焊接一直是焊接领域的一大难题。控制接头界面处金属间化合物的生成及其尺度,是成功进行铝/钢焊接的关键。电弧熔钎焊是解决铝/钢异种金属焊接全面走向工程应用的最具希望的几种焊接方法之一。文中综述了近年来铝/钢电弧熔钎焊研究的发展现状,分析了铝/钢电弧熔钎焊焊接性,重点探讨了控制金属间化合物生长的方法,包括减小焊接热输入、降低热源能量密度、添加具有抑制金属间化合物生长的合金元素、采用中间层等;总结了改善液态金属润湿性和铺展性的方法,包括采用镀层/覆层、采用钎剂、采用辅助磁场、进行预热或辅助加热等。最后提出了若干铝/钢电弧熔钎焊需要进一步解决的问题。

铝/钢异种金属钎焊与固相焊新技术:搅拌摩擦钎焊(FSB)与嵌入式搅拌摩擦点焊(EFSSW)

为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）,并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头,既避免了针的磨损,又获得了无匙孔的光滑外观;同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接,还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。

铝/钢异种金属激光焊接熔池形状的计算机模拟

通过建立数学模型和Matlab软件,对铝/钢异种金属焊接过程中的固/液相界面和汽/液相界面进行了计算模拟,分析了激光焊接工艺参数对熔池形状和熔深熔宽的影响。结果表明,固/液相界面的熔池深度明显要比汽/液相界面的熔池深,且在横向尺寸和移动方向上的熔池中固/液相界面的区域明显要比汽/液相界面的宽;铝/钢异种金属适宜的焊接工艺参数：激光焊接功率为1 600-1 800 W,焊接速度为25-40 mm/s,激光光斑直径范围为0.2-0.6 mm。

铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的研究现状

为了深入研究合金元素对铝/钢异种金属焊接接头的作用机理,以便为实际生产中焊接工艺的优化提供参考,综述了铝/钢异种金属电弧熔钎焊焊接方法及焊接接头的界面结构研究现状,并重点概述了合金元素对铝/钢异种金属电弧熔钎焊界面结构的影响。研究结果表明,在铝/钢异种金属电弧熔钎焊过程中,界面反应层的金属间化合物对焊接接头的力学性能有很大的影响。

基于BC-MIG焊的铝/钢异种金属增材制造工艺

以2 mm厚Q235镀锌钢板为基板,直径1.2 mm的4043铝合金焊丝为增材材料,利用BC-MIG焊工艺进行增材试验,得到了成形美观,性能优良的T型材结构.采用金相显微镜、显微硬度仪、万能拉伸试验机对接头的组织形貌、硬度分布、剪切性能进行研究,获得了沉积层的组织和力学性能的变化规律.结果表明,沉积层最底部靠铝一侧和靠钢一侧分别形成细长针状和带状Fe/Al化合物,沉积层中部由向上生长的树枝晶组成,而在沉积层顶部的组织没有定向生长的趋势.剪切试验表明,铝/钢异种金属T型材最大可承受2 108 N的剪切力,剪切角达到13.5°时,受力一侧堆焊层根部发生断裂,堆焊层上无明显裂纹.

镁/钢异种金属焊接的研究现状与展望

分析了镁/钢异种金属的焊接性及存在问题,以搅拌摩擦焊、电弧焊、激光焊等焊接方法分类讨论了镁/钢焊接的研究现状;通过添加中间元素进行焊接调控是解决镁/钢异种金属焊接问题的关键,并对镁/钢焊接的后续研究进行了展望。

铜/钢异种金属焊接技术研究现状

重点介绍了国内外针对铜/钢异种金属连接的几种常用焊接方式,从不同焊接方法的特点入手,对其接头的成形机理、微观组织与力学性能进行了分析,并系统地总结了不同焊接方法的现存问题与解决办法。对于熔化焊,得到更为均匀的熔池以控制偏析是得到可靠接头的方式;传统电弧焊可通过控制填充材料以实现,而高能束焊可利用其控制精密的优势,利用束流偏析或周期运动以获得组织更为均匀的接头,是更可靠的熔化焊方法。对于钎焊及熔钎焊,选用合适的钎料则是实现可靠连接的关键,但其接头力学性能普遍较差,不适合应用于承载结构。而固相焊不涉及材料的熔化,相比于熔化焊,其接头具有更细小且均匀的微观组织,是具有巨大潜力的焊接方式。调控其界面反应层的形成是进一步提高接头强度的可行方式。在此基础上,进一步对未来铜/钢焊接的发展方向提出了展望,提出了关于上述焊接方法在未来可行的研究方向。

添加不同合金粉末激光熔钎焊铝/钢异种金属接头的组织与性能

预涂分别富含硅、镁、锰、硼、锌元素的五种合金粉后,对不等厚5A06铝合金板和ST04Z镀锌钢板进行了激光熔钎对接焊,研究了焊接接头的显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能。结果表明:接头界面处形成了金属间化合物层,近镀锌钢侧形成的金属间化合物主要为Fe_2Al_5,近铝合金侧形成的主要为FeAl_3,预涂富含硼的合金粉得到的金属间化合物层最厚;接头均在焊缝处发生以韧性断裂为主,脆性断裂为辅的混合断裂,预涂富含硅的合金粉得到的接头的抗拉强度最大;预涂富含锰的合金粉焊接后,接头的耐腐蚀性能最好,预涂富含镁、硅、锌的合金粉焊接后,耐腐蚀性能依次降低,腐蚀易发生在金属间化合物层与铝合金界面处。