铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理

采用圆锥形搅拌头焊接20mm厚的7075-T6铝板,分析焊接过程中焊缝内部疏松缺陷的形成过程及原因。研究表明,焊缝表面成形良好,无明显缺陷。但是,在焊缝轴肩区和焊核区之间出现了疏松缺陷。分析认为,焊缝上、下部金属温度差太大,导致其塑性流动行为发生变化是疏松缺陷形成的主要原因。搅拌摩擦焊(FSW)过程中,焊缝上部金属温度较高,而底部温度仍然很低,脱离搅拌针端部的塑化金属在周围冷金属巨大的变形抗力作用下转而沿搅拌针表面往上迁移。到达轴肩区下方汇聚区时,由于轴肩区金属温度高,向下的挤压力太小,导致回迁上来的塑化金属继续往上迁移并冲破轴肩区而沿轴肩边缘溢出形成飞边。汇聚区内没有足够的塑化金属填充、焊缝无法被压实而产生疏松孔洞。通过建立疏松缺陷形成的物理模型,可以更直观地反映出焊缝金属流动形态及缺陷形成过程。     

铝合金厚板FSW焊缝成形及金属流动行为分析

采用三角平面圆锥形搅拌针焊接20 mm厚的铝板,分析工艺参数对焊缝成形及金属流动特征影响。随着旋转速度增加,单位时间内金属迁移量增大,焊核区面积增加,疏松区面积减小至消失;而过大的旋转速度反而使疏松缺陷再次出现。适当减小焊接速度,增大单位长度内焊缝热输入,改善焊缝成形,但焊接速度过小易导致焊缝上部受热过多,疏松区及内部孔洞变大。在合适的参数下焊接时,瞬时空腔的出现可使更多塑化金属绕搅拌针做圆周迁移,即提高了沿水平方向的“抽吸-挤压”效应,改善了金属流动性,减少甚至消除焊缝内部缺陷。     

2A14 铝合金TIG-FSW交叉接头组织与力学性能

针对6 mm厚2A14铝合金采用先钨极氩弧焊（TIG）后搅拌摩擦焊（FSW）的工艺进行焊接得到TIG-FSW丁字交叉接头。通过对交叉接头进行组织分析,可以发现接头左侧为熔焊区域,上部可见明显气孔缺陷,右侧搅拌摩擦焊接区域呈“碗状”分布,焊缝成形良好;硬度测试结果表明：熔焊区显微硬度值明显低于搅拌摩擦焊接区域,且焊核区右侧硬度值呈现“U”型分布;对交叉接头沿熔焊方向进行拉伸,断裂位置位于M态母材处,断口呈现典型韧性断裂特征。     

2A14铝合金熔焊与搅拌摩擦焊交叉接头组织与力学性能

针对6 mm厚2A14铝合金采用先钨极氩弧焊(TIG)后搅拌摩擦焊(FSW)的工艺进行焊接得到TIG-FSW丁字交叉接头。通过对交叉接头进行组织分析,可以发现接头左侧为熔焊区域,上部可见明显气孔缺陷,右侧搅拌摩擦焊接区域呈"碗状"分布,焊缝成形良好。硬度测试结果表明:熔焊区显微硬度值明显低于搅拌摩擦焊接区域,且焊核区右侧硬度值呈现"U"型分布;对交叉接头沿熔焊方向进行拉伸,断裂位置位于M态母材处,断口呈现典型韧性断裂特征。     

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.     

焊接速度对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响

针对5 mm厚航空用铝合金7050-T7451进行了不同焊速时搅拌摩擦焊接头的微观结构和低周疲劳性能的研究.结果表明:接头焊核区面积与焊核区晶粒度都随着焊接速度的增加而减小;转速为400 r/min、焊速为40 mm/min时,接头具有最好的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头的低周疲劳裂纹均在接头底部启裂,沿前进侧热机械影响区与焊核区的过渡区域扩展至断裂.     

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。     

SiCp/Al复合材料与2024铝合金搅拌摩擦焊搭接接头的组织与性能

采用搅拌摩擦焊对SiCp/A1复合材料和铝合金异种材料的搭接进行了研究,并用光学显微镜和电子万能试验机对焊缝组织及力学性能进行了分析测试.结果表明:在合适的工艺参数下,可以获得较好的焊缝成形和无缺陷的焊缝组织.焊核区形成了明显的洋葱环形貌,洋葱环下方是搭接区,其中SiC颗粒细小,分布均匀,由搭接区下部到上部SiC颗粒呈梯度过渡.随焊接速度增加,搭接区SiC颗粒尺寸有所增加,在焊接速度为80mm/min时有裂纹形成,而焊缝力学性能也有所下降.在焊接速度为10mm/min时,焊缝抗剪强度较高,达到81.8MPa.     

顶锻速度Vd对摩擦焊合区金属组织的影响

从顶锻速度Vd对摩擦焊合区金属塑性成形的影响入手,系统研究了Vd与摩擦焊合区金属组织的关系。考量了LC9超硬铝摩擦焊时的顶锻速度范围,为精细结构摩擦焊成形与控制提供了实验研究基础。     

纯钛搅拌摩擦焊晶粒细化机制

通过搅拌摩擦焊实现了5 mm纯钛的可靠连接,并对焊接接头组织进行了细致研究。通过光学、扫描电子显微镜和透射电子显微镜对纯钛搅拌摩擦焊组织进行了精细表征,对焊接过程中的再结晶机制进行了研究。结果表明：采用搅拌摩擦焊可以得到成型良好,组织致密的焊缝;焊缝组织可以分为焊核区( NZ)、热机影响区( TMAZ)、热影响区( HAZ)和母材区( BM);根据各区组织形态和结构特点对纯钛搅拌摩擦焊动态再结晶过程进行了分析,揭示了纯钛搅拌摩擦焊焊缝细化机制;钛的层错能较大,搅拌摩擦产生的位错不能完全分解,遇到阻碍时,只能通过滑移和攀移继续运动,在多次搅拌摩擦作用下,位错缠结堆积,位错密度不断上升,产生新的晶界,从而形成细小晶粒,实现晶粒细化。     

平移速度的变化对搅拌焊接材料流动的影响

基于有限元方法对不同搅拌头平移速度下搅拌摩擦焊接过程中焊接构件Al6061-T6材料的三维流动问题进行分析,研究了搅拌头平移速度的变化对等效塑性应变的分布和材料流动的影响。结果表明,搅拌头前方的材料向上涌起,被旋推到搅拌头后方并开始向下运动,这一过程是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因。材料的等效塑性应变等值线与不同焊接区域的边界具有较好的对应关系。随着搅拌头平移速度的增加,垂直于焊缝方向上的截面上,等效塑性应变减小,但是材料的流动速度会随之增加。较低的搅拌头平移速度有利于焊缝中心线两侧材料的融合。     

7075-T6铝合金厚板FSW焊缝沿厚度方向上的显微组织演变规律

采用金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）和背散射电子衍射（EBSD）技术表征7075铝合金厚板搅拌摩擦焊（FSW）焊核中心区的微观结构，研究沿焊缝厚度方向上的显微组织演变规律。结果表明，焊核中心区发生了明显的动态再结晶，由原始粗大的板条状组织转变成了细小的等轴晶；随着距焊缝上表面距离的增加，中心区等轴晶晶粒尺寸呈现逐渐增大的趋势。其中，中心区上部4 mm处的晶粒尺寸最小，仅为7.8 μm；底部19 mm处的晶粒尺寸最大，达18.6 μm。中心区动态再结晶分数随距离的增大而逐渐减小，从中心区顶部1 mm处最大值90.4%减小至底部19 mm处最小值57.5%。受动态再结晶影响，焊核中心区主要以大角度晶界（HAGB）分布为主，且中心区大角度晶界随距离的增加呈逐渐降低的趋势；但每一个典型位置处的大角度晶界分布呈现先增大后减小的趋势，且在45°左右时达到最大值；此外，中心区并没有强取向组织产生。同时，焊核中心区主要以细小、弥散的二次析出强化相η相为主，且二次析出强化相颗粒尺寸随距离的增加而呈逐渐增大的趋势，但二次析出强化相颗粒总体数量却呈相反的趋势变化。     

等径弯曲通道变形镁合金的搅拌摩擦焊接

研究了等径弯曲通道变形AZ31镁合金的搅拌摩擦焊工艺,对焊缝的成形特点和力学性能进行了分析.试验结果表明,对厚为15mm的等径弯曲通道变形AZ31镁合金板,工艺参数对焊缝成型有很大的影响,成型性能对焊接速度的敏感程度较铝合金板要大,当焊接速度为37.5mm/min和搅拌头旋转速度为750r/min时,可以获得较好的焊接质量.     

搅拌摩擦焊接中压紧力的变化对焊接过程的影响

使用基于固体力学的有限元方法模拟了不同压紧力作用下,搅拌摩擦焊接过程中焊接构件材料的三维流动过程。作为搅拌摩擦焊接工艺的重要参数,压紧力的变化会影响到搅拌摩擦焊接中靠近焊缝中心线材料的流动情况。在搅拌摩擦焊接工艺当中,材料的等效塑性应变可以对应于焊接构件的微结构分布情况。压紧力的变化仅仅会影响搅拌区内的等效塑性应变分布,并且在搅拌区内,压紧力的变化和等效塑性应变的变化具有准线性的关系。     

转速对铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响

采用搅拌摩擦焊接(FSW)对铝铜层状复合板进行焊接,研究转速对焊接接头组织性能的影响。结果表明:FSW接头在焊缝区域内铝铜金属呈层状分布;随着搅拌头转速的增大,焊核区(NZ)中铝与铜晶粒尺寸增大;转速为1180 r/min时,铝层焊缝中心区域平均显微硬度为33.0 HV,超过母材显微硬度,抗拉强度为127.21 MPa;转速为750 r/min时,铜层焊缝中心区域平均显微硬度为99.7 HV,达到母材显微硬度的82.05%;孔洞缺陷是造成接头力学性能较低的主要原因。     

GC-4超高强钢焊接冷裂倾向的评价

GC-4钢是我国自行研制的一种无Ni低Cr超高强钢,主要用它取代30CrMnSiNi2A钢制造飞机起落架等受力构件。但由于该钢种含碳量高,合金元素多,冷裂倾向较大,使其应用受到限制,因此探明该钢种的冷裂倾向。制定一套合理的焊接工艺,防止冷裂纹的产生。     

焊接方式对铝合金搅拌摩擦焊T 型接头性能的影响

采用4种规格的搅拌头进行了2A70-T6铝合金T型接头搅拌摩擦焊试验,并对焊缝横截面进行了观察以及焊缝抗拉强度的测试.结果表明:焊缝中前进侧熔合过渡区的金属变形比返回侧剧烈,焊缝断裂往往发生在前进侧;在相同的焊接参数下,单道焊缝的焊核宽度与抗拉强度随着搅拌针直径的增大而增大,但增大的幅度较小,并列焊的焊缝抗拉强度仅为单道焊缝的93％左右;为了获取相同宽度的焊核,采用加粗搅拌针单道焊比并列焊更具有优势.