2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头组织及性能

为了研究搅拌摩擦焊(FSW)对2195铝锂合金组织及性能的影响,对5mm薄板进行了不同工艺参数的搅拌摩擦焊接。显微组织分析及力学测试结果表明:合金经FSW后,接头组织由焊核区、热机影响区、热影响区三个明显不同的区域组成。当焊速不变,搅拌头转速ω在700~1300r/min之间变化时,接头抗拉强度随转速ω增大而降低;搅拌头转速不变,焊速υ在60~140mm.min-1之间变化时,接头抗拉强度随焊速υ增大而提高。当υ=140mm.min-1,ω=1000r/min时,焊接接头强度系数达到73%。焊后接头显微硬度发生了较大程度的软化。     

焊接方法对2219铝合金焊接接头力学性能的影响

通过室温拉伸和显微硬度,比较2219铝合金电子束焊接(EBW)、搅拌摩擦焊(FSW)和钨极氩弧焊(TIG)所获接头的力学性能,利用扫描电镜、光学显微镜等手段,比较三种接头力学性能差异,并探讨产生差异的原因。结果表明:EBW所获接头的室温抗拉强度达到母材的79%左右,焊缝处的显微硬度达到97HV;FSW所获接头的室温拉伸强度达到母材的74%左右,焊缝处的显微硬度达到97.6HV;TIG所获接头抗拉强度只有母材的53%,焊缝处的显微硬度为72HV。EBW和FSW所获接头的力学性能明显优于钨极氩弧焊接接头,运用扫描电镜和光学显微镜等手段,研究发现EBW和FSW所获接头焊缝区细小的等轴晶组织、Cu元素在焊缝中的分布均匀、高质量焊缝成形是接头具有良好性能的主要原因。     

转速对20 mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊接件的组织及性能的影响

对20 mm厚的2219 C10S铝合金板材进行搅拌摩擦焊对接试验,在进给速度为100 mm/min的条件下,对比研究转速为400~550 r/min时的对接接头的内部缺陷、宏观形貌及微观组织、显微硬度和拉伸力学性能的差异。结果表明,当转速为400~500 r/min时,焊接接头无缺陷,能获得内部质量较高的焊接接头。随着转速的增加,焊核区“洋葱环”的间距和轴肩影响区的范围增大,焊核区和热力影响区的硬度的降低越明显。接头的拉伸性能随转速的增大而降低,拉伸强度最高可达到334 MPa,接头断裂模式主要为韧性断裂,断裂位置发生在后退侧的热力影响区与热影响区的交界处,与显微硬度最小位置相吻合。当转速增大至525 r/min时,焊缝出现表面点状缺陷;当转速达到550 r/min时,焊缝出现连续的犁沟缺陷。     

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。     

6061-T4铝合金搅拌摩擦焊T型接头缺陷及性能

对板厚3mm的6061-T4铝合金T型接头进行搅拌摩擦焊接研究并具体讨论了旋转速率(ω)及焊接速率(v)对焊接缺陷及力学性能的影响。结果表明:对给定的夹具形式和搅拌工具,当v不变时焊缝前进侧筋板圆角过渡处容易产生随ω/v增大而减小的隧道缺陷,后退侧圆角区易出现清晰的"Z"连接线;壁板出现两个随ω增大而扩大的软化区域,而壁板焊缝中心的硬度随ω增大而升高;T型接头筋板焊缝热力影响区同样被软化,其硬度较母材降低17.0%;局部组织软件是造成所有接头沿壁板方向加载抗拉强度下降的重要原因,其最高抗拉强度只达到母材的73.8%,隧道缺陷是引起ω=1008r/min筋板方向强度降低的主要原因,而ω=1541r/min和ω=2256r/min筋板方向强度降低主要归结于T型接头中热力影响区组织的软化,其中当ω/v=1541/218 r/mm时,沿T接筋板方向抗拉强度最高可达到母材的83.5%。     

7A60铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能分析

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为6mm的7A60超高强铝合金进行了焊接试验,分别测试了搅拌头形状、工艺参数搅拌摩擦焊接头对抗拉强度的影响.结果表明:搅拌头的形状对焊缝接头强度有一定的影响;在旋转速为300r/min,且焊接速度为200mm/min时,可以获得较好的焊接性能,抗拉强度可以达到488.69MPa,为母材的75％;接头显微硬度最低值出现在焊接热影响区而不在焊核区,主要是焊核区经过动态再结晶形成了细小的等轴晶粒所致;断口形貌分析显示,接头断裂模式为脆性和韧性的混合型断裂.     

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。     

前进速率对搅拌摩擦加工ZK60镁合金组织和力学性能的影响

对铸态ZK60镁合金进行搅拌摩擦加工,在转速为800r/min,前进速率为50~200mm/min的条件下,获得表面平整、无宏观缺陷的材料,并对其组织和力学性能进行研究。研究结果表明:剧烈的塑性变形使搅拌区的晶粒相对于铸态母材得到了明显细化,随着前进速率的增加,搅拌区平均晶粒尺寸先减小后增大。搅拌区细晶组织的显微硬度及抗拉强度相比于铸态母材有所提高,而伸长率显著提高。在转速为800r/min,前进速率为100mm/min的加工条件下,搅拌区的晶粒最为细小均匀,其平均晶粒尺寸为6.9μm,材料的硬度、抗拉强度和伸长率分别为70.1HV,276 MPa和31.6%。     

A356-T6/6061-T6异种铝合金搅拌摩擦焊的工艺研究

通过对6 mm厚的A356-T6/6061-T6异种铝合金的搅拌摩擦焊工艺试验研究,采用OM、SEM、万能拉伸试验机、显微硬度仪等分析了母材位置、焊接速度对接头组织和性能的影响。研究结果表明:当旋转速度为1 000 r/min、焊接速度为100~400 mm/min时,均可获得内部无明显缺陷、外观良好的异种铝合金接头;A356-T6铝合金置于前进侧时有利于材料的迁移,焊缝区组织由典型的焊核区、热机械影响区和热影响区特征组织组成,焊核区域晶粒由表层向底层逐渐细化;接头拉伸性能随焊接速度的增加而增大;焊接速度较低时,A356合金位于前进侧有利于获得强度更高的接头,而焊接速度较高时,6061位于前进侧有利于获得高性能接头,且接头的屈服强度和延伸率均较A356位于前进侧时高;无论A356还是6061置于前进侧,接头的断裂位置均位于A356侧热影响区,与母材放置位置无关,这与焊缝硬度最小值区位置相吻合。     

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。     

Microstructural formation and mechanical performance of friction stir double-riveting welded Al-Cu joints

A novel friction stir double-riveting welding (FSDRW) technology was proposed in order to realize the high-quality joining of upper aluminum (Al) and lower copper (Cu) plates, and this technology employed a Cu column as a rivet and a specially designed welding tool with a large concave-angle shoulder. The formations, interfacial characteristics, mechanical properties and fracture features of Al/Cu FSDRW joints under different rotational velocities and dwell times were investigated. The results showed that the well-formed FSDRW joint was successfully obtained. The cylindrical Cu column was transformed into a double riveting heads structure with a Cu anchor at the top and an Al anchor at the bottom, thereby providing an excellent mechanical interlocking. The defect-free Cu/Cu interface was formed at the lap interface due to the sufficient metallurgical bonding between the Cu column and the Cu plate, thereby effectively inhibiting the propagation of crack from the intermetallic compound layer at the lap interface between the Al and Cu plates. The tensile shear load of joint was increased first and then decreased when the rotational velocity and dwell time of welding tool increased, and the maximum value was 5.52 kN. The FSDRW joint presented a mixed mode of ductile and brittle fractures.     

辅助加热温度对铝合金厚板FSW焊缝成形的影响

对铝合金厚板搅拌摩擦焊（FSW）而言,焊缝底部金属温度低、流动能力差是导致焊缝成形困难的主要原因。为此,本研究采用辅助加热的方式对待焊母材底部进行预热,分析辅助加热温度对厚板搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。结果表明,随着辅助加热温度从20℃升高至80℃时,焊缝成形质量先变好后变差,宏观表现为焊缝内部焊核区宽度、高度及面积呈现先增大后减小的趋势,而疏松区面积呈现先减小后增大的趋势。其中,当辅助加热温度为40℃时,焊缝成形质量最好,焊核区尺寸最大,疏松区消失;而当辅助加热温度升高至80℃时,焊缝成形质量最差,疏松区面积最大。研究认为,其主要原因是添加合适的辅助加热温度可显著提高焊核区塑性金属的峰值温度及高温停留时间,塑性金属流动能力明显提高,焊缝成形质量得到极大改善。焊核区塑性金属的迁移方式由沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移向挤压焊核区周边冷金属横向迁移转变。但是,当辅助加热温度太高时,焊核区塑性金属迁移方式开始转变为原始的沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移,且此迁移程度有明显增大的趋势,导致焊缝内部疏松区缺陷再次出现。     

2219厚板铝合金TIG和MIG焊接接头组织与性能对比研究

对15mm厚2219-C10S铝合金分别进行钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）对接试验,对接头焊缝成形、内部质量、组织形貌及力学拉伸性能进行对比分析。结果表明：TIG焊缝表面光亮洁净,鱼鳞纹美观,焊缝内部近无缺陷,MIG焊接头焊缝飞溅较多,焊缝表面较为粗糙,焊缝内部存在少数单个小气孔。TIG焊缝晶粒尺寸较为细小,分布均匀,MIG焊盖面的焊缝组织晶粒则比较粗大,分布不均,热影响区比TIG焊接头的晶粒更为粗大。两种接头的熔合区组织不均匀,晶粒大小不一。常温拉伸试验中,两种接头均沿熔合区断裂,TIG焊接头强度和塑性要优于MIG接头。     

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。     

2014铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2014Al合金进行了焊接,焊后对接头的微观组织和力学性能及断裂特性进行了分析.研究结果表明,焊核区和轴肩影响区由细小的等轴再结晶组织构成;热机影响区受机械和热的双重作用组织发生了较大程度的变形,在热循环的作用下发生回复反应;热影响区仅受热循环的作用,组织稍微有粗化现象.力学试验表明:焊接速度为150mm/min时,接头的抗拉强度可以达到361MPa,为母材的78%,抗弯强度达到母材的76%.断口形貌分析显示,接头断裂模式为韧性和脆性的混合型断裂.     

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。     

超声冲击对TA15 钛合金焊接接头的影响

研究了TA15钛合金氩弧焊焊接接头超声冲击前后的组织及力学性能,并对接头拉伸断口进行了观察。结果表明,焊接后焊缝区和热影响区的组织与母材的组织差别很大,表现为魏氏组织特征;超声冲击前后母材和接头的组织均变化不大。冲击处理使焊缝区和母材区的强度和伸长率均有所增加。冲击前后的焊缝及母材的室温拉伸断口均属于韧窝型断口。冲击后接头的表面和断面显微硬度均得到了提高。