带状组织对铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头力学性能的影响

采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为4 mm的6061铝合金与AZ31B镁合金进行不同工艺的平板对接试验.采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及能谱仪(EDS)对接头进行微观组织观察,采用电子万能试验机对接头力学性能进行测试.结果表明,在接头焊核区(WNZ)中存在着明显的带状组织,带状组织是由插入镁基体中的铝合金条以及弥散分布在条带上的金属间化合物(IMCs)组成;IMCs主要为Al12Mg17和Al3Mg2;铝/镁异种金属FSW接头裂纹形核和扩展均发生在带状组织内;焊接工艺影响带状组织形态和IMCs尺寸及数量;随着转速(n)的增加或焊接速度(v)的降低,带状组织呈弯曲状,长度相对较短且呈不连续分布;当转速(n)过高或焊接速度(v)过低时,带状组织变细,但IMCs数量增多且尺寸变大;铝/镁异种金属FSW接头强度主要取决于带状组织形态和IMCs尺寸及数量.

铝/镁异种金属搅拌摩擦焊研究现状及发展趋势

为进一步优化焊接工艺,提高铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头的性能,促进铝/镁异种金属结构在航空航天、轨道交通、汽车工业等领域的广泛应用,综述了近5年来国内外铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接的最新研究成果,对焊接工艺参数、接头的力学性能、微观组织以及异种金属搅拌摩擦焊的新工艺进行了总结和分析。国内外大量研究结果表明,通过选择合适的工艺参数、改变搅拌针的偏移,可以获得抗拉强度较高、焊缝成形良好的铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头,焊缝中存在的金属间化合物是导致焊接接头性能不能满足工程应用的主要因素,但目前对于搅拌摩擦焊接过程中金属间化合物的产生、分布规律缺乏深入研究。

镍中间层对铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头微观组织的影响

采用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW),引入厚度为0.05 mm镍箔作为中间层,在焊接速度不变条件下,采用不同转速对厚度为4 mm的6061铝合金和AZ31镁合金进行平板对接,对接头进行系列微观组织表征及力学性能测试,探讨转速对接头中镍颗粒分布状态,金属间化合物(intermetallic compounds,IMCs)种类与分布及接头强度的影响规律.研究结果表明:与未引入中间层接头相比,引入镍改变了铝/镁异种金属FSW接头焊核区(weld nugget zone,WNZ)中IMCs种类及分布,WNZ存在明显的镁合金与铝合金相间的带状组织,其上分布着絮状Al_(12)Mg_(17)、颗粒状Mg_(2)Ni、层状Al_(3)Mg_(2)及大小不一的镍箔颗粒;随着转速增加,镍箔颗粒分布愈加均匀,Al_(3)Mg_(2)数量相对减少,且脆性Al_(3)Mg_(2)由连续分布逐渐演变为断续分布;当转速为750 r/min时,接头抗拉强度达到最大值,与未引入中间层接头相比,引入镍中间层接头抗拉强度提高了56 MPa,达到镁合金的56.9%.

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。

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。

铝/铜异种金属搅拌摩擦焊接头腐蚀行为研究

采用搅拌摩擦焊接技术实现了3 mm厚6061-T6铝合金与T2紫铜的焊接,研究了Al/Cu搅拌摩擦焊接头的宏观成形、电化学腐蚀以及浸泡腐蚀行为。结果表明,Al/Cu搅拌摩擦焊接接头成形良好,未见裂纹、孔洞等缺陷。Cu的腐蚀电位高于Al,导致Al/Cu之间形成宏观电偶。Al/Cu接头的腐蚀电位低于两种母材,腐蚀电流密度大于两种母材,接头中的宏观电偶效应加速了接头的腐蚀。在浸泡24 h内,接头的腐蚀主要发生在铝合金侧,其中铝侧热影响区的腐蚀最严重,形成的点蚀坑尺寸较大。铝侧焊核区和铝母材也发生了局部点蚀,腐蚀程度相对较轻。铝侧表面腐蚀产物为Al(OH)3/Al2O3。

转速对铝铜异种金属薄板搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

探讨了不同转速(1600~2000 r/min)对铝铜异种金属薄板搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响,旨在为铜-铝较薄复合构件的开发提供理论依据。实验采用搅拌摩擦焊(FSW)技术对接焊铝和铜薄板,通过金相显微镜、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱仪器(EDS)、X射线衍射仪(XRD)和显微维氏硬度计等设备对焊接接头的宏观形貌、微观结构、元素分布、金属间化合物(IMCs)相和硬度分布进行分析,并通过拉伸试验机研究其力学性能。结果表明,在1600~1800 r/min转速下,可获得表面质量良好的焊接接头,且随着转速的增加,IMCs层厚度增加,显微硬度峰值出现在焊核区,平均硬度高于铜侧和铝侧;接头断裂方式为韧-脆混合断裂,断裂位置均在铜铝对接接头处;当焊接速度为30 mm/min,转速1800 r/min时,接头表面质量最佳,IMCs层厚为2.65μm,抗拉强度达到最大值,显示出良好的力学性能,适合于铜-铝较薄复合构件的应用。

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。

焊接速度对铝/镁异种合金搅拌摩擦焊竖向压力、组织和性能的影响

对1060铝和AZ31B镁合金进行了铝/镁异种搅拌摩擦对接焊试验,采用三分量切削力测试系统研究了不同焊接速度下的竖向压力。采用电子万能试验机进行了接头拉伸性能测试,使用光学显微镜、扫描电子显微镜分别观察了接头组织和拉伸断口形貌。结果表明,焊接速度变化引起竖向压力变化,而该压力对焊缝表面成形具有重要的影响,当焊接速度为110 mm/min时,竖向压力波动小,焊缝表面成形良好。焊接速度对接头的材料流动和晶粒尺寸也有重要影响,焊接速度为110 mm/min时,接头焊核区铝/镁界面组织具有良好的机械互锁效应,晶粒细小且均匀。随着焊接速度增加,接头抗拉强度和伸长率先升高后降低,在焊接速度为110 mm/min时接头力学性能最好,抗拉强度和伸长率分别为96.5 MPa和4.2%,断裂方式为脆韧混合断裂。

转速对厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊摩擦产热及界面组织的影响

通过改变搅拌头转速对20 mm厚的铝/镁异种材料进行搅拌摩擦焊,利用K型热电偶测温、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、电子探针(EPMA)等测试方法,研究了搅拌头转速对摩擦产热、焊缝成形及界面组织的影响规律。结果表明,在同一转速下,板厚方向上存在温度梯度,自上而下温度逐渐降低,铝侧界面上下温差高于镁侧界面;同一厚度上相对称的两点,铝侧界面的峰值温度高于镁侧界面。随着转速的增加,摩擦产热增多,但是增幅显著减小。焊缝成形随着转速的增加逐渐变差;在转速为375 r/min时,接头镁侧界面上部存在12μm厚的连续带状Al_(3)Mg_(2)层和74μm厚的Mg+Al_(12)Mg_(17)共晶层,中部IMCs层和共晶层厚度较上部减小,下部只存在Al_(3)Mg_(2)和Al_(12)Mg_(17)IMCs层,并未发现共晶层。随着转速增加,镁侧界面处的IMCs层与共晶层的厚度显著增加,接头断裂发生在镁侧界面的Al3Mg2层和铝合金带之间。

铝/钛异种金属超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺试验研究

搅拌摩擦焊在铝/钛异种金属焊接方面具有明显优势,但采用常规搅拌摩擦焊进行铝/钛异种金属焊接时,在焊缝根部仍易产生弱连接缺陷。为此,采用超声振动强化搅拌摩擦焊接新工艺进行了4mm厚的2024铝合金与TC4钛合金的焊接工艺试验,焊后进行了接头微观组织与力学性能分析。通过与常规搅拌摩擦焊接工艺进行对比,发现辅加超声振动能够改善铝/钛异种金属搅拌摩擦焊缝表面成形,降低接头根部弱连接缺陷的高度,减少接头金属间化合物的生成。在搅拌头转速为400r/min,焊接速度为45mm/min时,接头的抗拉强度可达到343.3MPa,相比于常规搅拌摩擦焊提升18.9%,达到铝合金母材强度的76.2%。研究证实了超声振动强化搅拌摩擦焊接新工艺在铝/钛异种金属焊接方面的优势,为提高铝/钛异种金属的焊接质量提供了新的技术手段。

铝/镁异种金属搭接搅拌摩擦焊接温度场数值模拟研究

利用有限元分析软件ABAQUS对铝/镁异种金属搭接搅拌摩擦焊温度场进行模拟研究,计算了焊接过程中不同焊接参数对温度场的影响。结果表明:数值模拟结果与测量结果能够较好吻合,热源模型的建立基本符合搅拌摩擦焊接过程,验证了已建立的模型的可靠性。

钛/铝异种金属搅拌摩擦焊搭接接头的组织结构

采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行了搭接连接,研究了接头的微观组织结构.结果表明,当搅拌头旋转频率为1 500 r/min、焊接速度为60mm/min时,能获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头,搭接处铝合金和钛合金充分混合,形成焊核区.焊核两侧进入铝合金中的钛合金在搅拌针的挤压下发生了弯曲,使得钛/铝紧密结合.搭接接头中心部位的搭接界面区呈层状组织,可分为三层,靠近焊核和靠近钛合金母材一侧的均为黑白相间的条带状组织,含有焊接过程中生成的Ti-Al金属间化合物;夹在中间的为黑色片状组织和灰色基体上分布黑色颗粒的条带状组织,分别是被搅入界面区的钛合金母材和钛合金母材与铝合金母材的机械混合物.

铝钢异种金属搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能研究

通过对5052铝合金和Q235钢板搅拌摩擦搭接焊进行试验研究,获得质量良好的接头,通过剪切试验、断口形貌扫描电子显微镜和能谱分析对搭接接头组织和性能进行测试研究。结果表明:采用搅拌摩擦焊可以获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头,强度可达到225 MPa,基本接近铝合金侧母材的强度,焊缝接头获得良好的机械连接和冶金连接。针对铝钢搭接的接头形式构建了组织模型,将接头分为搅拌扩散区、机械结合区和冶金结合区,揭示了铝钢搅拌摩擦搭接焊的连接机理。

镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊工艺的研究

采用自行研制的无匙孔搅拌摩擦点焊方法对3mm厚AZ31B镁板和1mm厚DP600镀锌钢板异种金属进行搭接焊接(钢板在上,镁板在下),研究了其焊接工艺参数对焊点成形及力学性能的影响。通过正交试验结果分析表明:参数因素影响从主到次为:B(轴肩下压量)→A(搅拌头旋转速度)→C(搅拌针直径)。在焊接时间一定时,确定了搅拌针伸出量为1.8～2.0mm、转速为1200～1500r/min、轴肩下压量为0.1～0.3mm、搅拌针直径为5.5～6.0mm时,得到的接头表面成形较好,接头剪切力均能达到7.5kN以上。

母材相对位置对搅拌摩擦焊接铝/铜异种金属接头性能的影响

铝、铜两种金属性能差异较大,用常规焊接方法难以实现连接,极大地限制了铝/铜复合接头的质量和应用范围.利用搅拌摩擦焊接技术成功焊接了防锈铝合金/紫铜异种金属的对接接头,通过焊缝接头表面宏观形貌观察、接头横断面组织分析及接头的抗拉强度分析母材相对位置对铝/铜搅拌摩擦焊接头性能的影响.结果表明,搅拌针相对配合面存在偏移的情况下,母材铜板放置在返回侧时,焊缝接头的成形性好;接头的组织形貌出现明显的"洋葱"环状;接头的最大抗拉强度达到225 MPa,可达母材紫铜抗拉强度的76.3%;接头断裂多发生在前进侧热影响区或接头的焊核区域.

铝-镁异种金属对接搅拌摩擦焊断裂行为分析

采用搅拌摩擦焊方法进行铝/镁异种金属对接焊试验,分析了其断口形貌特征及断裂行为机理。研究结果表明,镁板在搅拌头前进侧或搅拌头向镁侧偏离时,焊缝表面有飞边和裂纹、焊缝内部有孔洞和隧道缺陷,不能获得成型良好的焊缝。而铝板置于搅拌头前进侧,焊接速度为50 mm/min、搅拌头转速为900 r/min时,焊缝能够获得较好成型。对其焊缝断口进行X衍射、能谱分析知焊缝中含有大量的脆性相Mg2Al3、Mg12Al17,由此决定了断裂面主要以解理断裂为主,有少量的韧窝存在,脆性金属间化合物在断口中分布的差异造成不同区域的断裂形式差异较大。

转速对铝-镁异种金属摩擦螺柱焊接头的影响

采用摩擦螺柱焊对铝、镁异种金属进行连接,并结合数值模拟对焊接过程的温度场进行分析,研究焊接转速对接头微观结构和温度场的影响。结果表明,结合界面的镁合金一侧出现了膨胀现象,异种金属结合界面扩散层的厚度随着转速的增加而增加,转速为2500 r/min时,扩散层厚度达到35μm;转速的增加会使焊缝内部的峰值温度和高温区域范围增加。断裂发生在在铝-镁结合界面处,表明结合界面为整个接头的薄弱部位。

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(铜)/不锈钢异种金属大直径搅拌摩擦钎焊界面组织特征与工具的去膜效果

为了同时消除搅拌摩擦搭接焊过程中搅拌针的磨损与匙孔、增大单次焊道的焊合面积,开发了无针工具并预置钎料的搅拌摩擦钎焊(FSB)新工艺。为进一步证明FSB可利用旋转工具借助机械途径破除界面氧化膜、改善润湿性,选折了表面氧化膜难破除的不锈钢(SUS)作为下板的两种异质金属组合(Al/SUS与Cu/SUS),采用Φ40 mm大直径无针工具与Zn箔钎料施焊。微观组织分析发现,Al/SUS组合在不锈钢界面侧形成了6～7μm连续金属间化合物层,并在Al侧形成了约20μm混有少量粒状物(含Fe)的混合层;特别是铜作上板的Cu/SUS组合,众多粒径约2μm不锈钢微粒被搅拌混入上板Cu材中,形成厚约5μm的复合材料式界面层。上述结果表明, FSB无针工具在直接搅拌上板表面的同时,又能间接搅拌焊接界面以破除界面氧化膜;同时界面处的搅拌破膜效果与上板的软化程度、屈服强度等因素有关。