搅拌摩擦加工对活塞用铸铝微观组织的影响

探索搅拌摩擦加工对活塞用铸造铝合金组织及性能的影响,研究了搅拌摩擦加工参数的影响规律。搅拌摩擦加工可明显细化铸造铝合金表面的组织,使粗大的铸态组织转变为细小均匀的等轴晶。搅拌摩擦加工参数选择不当,会使各加工区域的晶粒长大。通过对搅拌区组织的显微硬度测试,发现搅拌摩擦加工可以显著提高铸铝合金硬度,达到改善其表面性能的作用。     

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.     

铝合金搅拌摩擦焊研究现状

在搅拌摩擦焊接中,焊接缺陷、接头组织都将影响到接头的最终性能.而焊接缺陷、接头组织都受到材料流动形式和焊接热循环的影响,因此以上各方面都在铝合金搅拌摩擦焊中受到极大关注.本文将从这几个方面对铝合金搅拌摩擦焊接的研究现状进行评述.     

2219铝合金搅拌摩擦焊结构ECA评定

基于含缺陷结构断裂评定的COD设计曲线与净截面屈服失效判据,对2219铝合金搅拌摩擦焊结构进行了工程临界评定(ECA)。分析了2219铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区、热机影响区、热影响区和母材区的临界裂纹尺寸,确定了不同载荷水平下2219铝合金搅拌摩擦焊结构的表面缺陷容限,并对特定内压下2219铝合金运载火箭贮箱筒段搅拌摩擦焊纵缝进行了ECA评定,为2219铝合金搅拌摩擦焊结构的断裂控制提供了参考。研究结果表明,纵向前进边热影响区为2219铝合金搅拌摩擦焊接头断裂控制的关键区域,特定内压条件下给定的表面缺陷可以接受。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能

文摘对航空用5 mm厚的7075铝合金搅拌摩擦焊试样热处理前后的焊缝微观组织及性能进行了研究。结果表明:当搅拌头旋转速度400 r/m in、焊接速度40 mm/m in时,接头拉伸强度达到353 MPa,是母材强度的78.5%;焊核区为等轴晶;经热处理后接头拉伸强度值达到母材强度的83.0%;硬度的最低处在前进侧热机影响区;断口的微观形貌表现为具有强化相的韧窝特征,且断裂几乎发生在前进侧的热机影响区。由此认为,7075铝合金搅拌摩擦焊接头的薄弱点在热机影响区。     

Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征

采用无针搅拌摩擦搭接点焊对Ti6Al4V钛合金和2A12铝合金异种金属进行焊接,焊后低熔点铝合金受摩擦热影响发生熔化,而高熔点钛合金在焊接过程中始终保持固态,同时与处于液态的铝合金相互作用,最终Ti/Al界面形成熔钎焊接头且接头拉伸剪切力达19.20 kN。研究了Ti/Al熔钎焊接头钛合金和铝合金的组织变化以及连接界面的特征形貌。结果表明由于摩擦热及搅拌头下压的影响,焊点处钛合金和铝合金组织发生明显变化。钛侧主要形成热力影响区和母材区;铝侧形成熔核区、热影响区和母材区3个区域,热影响区和熔核区的晶粒尺寸相对母材区变粗大,其组织经历了受热长大、部分熔化到完全熔化3个过程。在搭接接头界面处形成均匀致密且微薄的金属间化合物层,主要成分为TiAl₃;接头界面区组织变化明显,中间部位有均匀的TiAl₃界面层,随着向接头两边延伸界面层逐渐消失且Cu元素聚集在边缘。相对其他Ti/Al搭接点焊的焊接方法,无针搅拌摩擦搭接点焊获得的接头抗拉伸剪切力得到了明显的提升。     

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。     

2014铝合金搅拌摩擦焊缝的拉锻式摩擦塞补焊

采用拉锻式摩擦塞补焊方法对4mm厚的2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷进行了补焊,焊后对塞补焊接头的微观组织和拉伸性能进行了分析。研究结果表明,摩擦塞补焊接头分为焊缝区、热影响区和母材区三部分,焊缝由细小的等轴再结晶组织构成。选择合适的焊接参数和接头结构,塞补焊接头的抗拉强度可以达到330MPa以上,达到或超过搅拌摩擦焊接头强度。塞补焊接头微观硬度分析表明,塞补焊后接头焊缝区硬度较高,但整体硬度变化不大。     

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。     

2219 铝合金搅拌摩擦焊缝匙孔形缺陷修补技术

采用固相填充+搅拌摩擦焊复合工艺进行了2219铝合金搅拌摩擦焊缝匙孔形缺陷的修补,焊后对接头的微观组织和力学性能进行了分析。结果显示:匙孔修补位置焊接接头焊核区呈现细小的等轴晶,热力影响区组织发生了较大程度的弯曲变形,接头抗拉强度≥335 MPa,延伸率≥8.0%,断裂机理为韧性断裂。     

铝/铜异种金属搭接无倾角微搅拌摩擦焊接工艺特性

以0.5mm厚6061铝合金和2mm厚T2紫铜搭接接头为研究对象,开展了无倾角微搅拌摩擦焊接试验,通过对搅拌工具材料选择、焊缝成形、接头性能分析,研究了其焊接工艺特性。试验结果表明,相比热作模具钢,采用高速工具钢制成的搅拌工具有更长的使用寿命。对于铝/铜搭接接头,无倾角微搅拌摩擦焊接能获得成形良好的焊缝,并且其工艺窗口宽泛,接头的力学性能良好,其承载能力能够达到铝合金母材的95%以上,但是当焊接速度为200mm/min时,主轴转速一旦超过25000r/min,焊缝表面将会出现沟槽缺陷。     

焊接方法对2219铝合金性能及组织的影响

通过拉伸试验,利用扫描电镜与光学显微镜等手段,比较了搅拌摩擦焊(FSW)和变极性钨极氩弧焊(VPTIG)两种焊接方法对2219铝合金板材力学性能的影响.结果表明,无论何种焊接方法均使2219铝合金板材的强度和塑性下降,但是FSW焊接接头强度以及塑性等力学性能明显优于VPTIG焊熔焊接头.拉伸试样断口形貌以及显微组织分析显示,FSW焊核区组织均匀细密,断裂位置位于后退侧热影响区与焊核区的交界处.VPTIG焊接接头易出现气孔缺陷,熔合区是最薄弱环节.     

LF6铝合金与不锈钢异种金属惯性摩擦焊工艺技术研究

铝合金与不锈钢物理化学性能较大的差异使两者采用常规焊接技术较难实现连接。本文采用惯性摩擦焊接技术进行了LF6铝合金与不锈钢异种金属连接,分析研究了接头的微观组织及拉伸力学性能。研究结果表明,LF6铝合金与不锈钢惯性摩擦焊接过程中,相对不锈钢一侧,LF6铝合金一侧发生了较大的塑性变形,飞边主要由LF6铝合金摩擦挤压而成;微观组织显示LF6铝合金一侧分为细晶区、拉长晶区和母材区,细晶区中呈现为细小等轴晶状组织,拉长晶区为摩擦剪应力作用下的板条状拉伸组织。EDX分析表明,在摩擦热和顶锻力的作用下,焊接界面存在明显的浓度梯度,形成了数微米的扩散反应层;力学断口断裂于铝合金一侧受力薄弱区。     

运载火箭铝合金贮箱全搅拌摩擦焊接工艺及应用

搅拌摩擦焊技术具有焊接缺陷少、焊接变形小、接头性能高等优点,是运载火箭铝合金贮箱制造的发展趋势。本文分析了我国运载火箭贮箱的结构组成和主焊缝结构特点,系统梳理并研究了实现贮箱主焊缝全搅拌摩擦焊接制造所需要的关键技术,包括常规搅拌摩擦焊技术、可回抽搅拌摩擦焊技术、超声相控阵检测技术及补焊技术。研究成果已经逐步实现了在运载火箭贮箱筒段纵缝、箱底主焊缝、贮箱总装环缝上的工程化应用。     

铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟

采用KWN模型构建搅拌摩擦焊接中Al-Mg-Si系铝合金沉淀相演化计算模型,通过将屈服强度分为晶粒大小、固溶相和析出相三部分贡献,可以计算平板搅拌摩擦焊后的屈服强度和硬度。进一步研究不同焊后人工时效条件下,焊接平板力学性能变化的机理。结果表明:更长的焊后保温时间有利于搅拌区力学性能的回复;较高的保温温度有利于搅拌区力学性能的快速回复,但是当温度高于200℃时,长时间保温会使母材软化,不利于力学性能回复;通过焊后人工时效不能明显改善热影响区的力学性能。     

2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊与熔焊交叉接头的组织及性能

文摘对2219C10S铝合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接,之后沿垂直于双轴肩搅拌摩擦焊方向进行变极性TIG焊接制备交叉接头,并对比分析了交叉接头与单一TIG接头的组织和力学性能。交叉接头与单一TIG接头的组织特征既有相同之处也存在差异。相同之处为焊缝区均由直流氦弧焊作用下的柱状区和交流脉冲氩弧焊作用下的碗状区组成;不同之处在于两者的母材区分别为细小等轴晶和轧制板条晶粒,而热影响区都是在母材晶粒上发生粗化长大。显微硬度测试结果表明,两类接头的横截面显微硬度分布均呈"W"型,单一TIG接头的的显微硬度分布梯度大于交叉接头,但交叉接头的软化区宽度更窄。拉伸测试结果得出,两类接头均断裂于接头的热影响区。沿SR-FSW焊缝方向的交叉接头的抗拉强度系数为66.14%,略低于单一TIG接头,但接头延伸率比单一TIG接头高约30%。断口形貌研究表明,交叉接头的断口形貌为典型的韧性断裂,而单一TIG接头还可观察到部分脆性断裂特征。     

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。     

先进的焊接技术─—摩擦搅动焊

摩擦搅动焊是新近发明的一种先进焊接技术,它采用非熔化固态焊接,利用局部产生的摩擦热生成连续的固相焊缝,用它可以焊接传统上认为“不能焊接”的合金和实现不同类金属的焊接。本文简要介绍摩擦搅动焊的焊接工艺、焊缝性能、设备及应用。