钛/铝异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展

钛合金和铝合金均具有质轻、比强度高和抗腐蚀性能好等优点,已广泛应用于航空航天、军事工业和公共交通等领域,钛/铝异种金属复合结构的连接逐渐成为研究热点。然而,由于物理和化学性能差异明显,钛/铝焊接难度大,存在成形困难、接头性能较差等问题。搅拌摩擦焊作为一种固相焊接方法,对克服异种材料性能差异带来的焊接困难具有极大的优势。本文综述了钛/铝异质金属搅拌摩擦焊的研究现状,主要涉及焊缝成形、焊接参数、力学特征、冶金结合和连接机制等,以及衍生的搅拌摩擦焊新技术,为钛/铝异质金属结构的轻量化设计提供新思路,并对其未来发展进行了展望。     

铝合金搭接结构的搅拌摩擦焊接技术

阐述了铝合金搭接结构搅拌摩擦焊接基本原理及特点,评述了国内外研究和应用进展,指出采用搅拌摩擦焊接技术制造搭接结构产品是重要的发展方向,展望了后续发展的重点。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷补焊

对2219铝合金搅拌摩擦焊接头中出现的未焊透和孔洞缺陷进行一次、二次搅拌摩擦补焊实验。结果表明：在合适的补焊工艺参数下,可有效消除接头原有缺陷,获得成形美观,性能良好的接头;随补焊次数的增加,接头软化区域显著增加;含有上述两种缺陷接头一次补焊后拉伸性能显著提高,二次补焊接头相比于一次补焊接头拉伸性能有所降低;含有缺陷的原始接头拉伸时均于缺陷处起裂导致接头塑性较低,补焊后接头都断裂于后退侧热影响区与热机影响区交界处,呈韧性断裂模式。     

中低体积分数SiCp / Al 在航空航天领域的应用与发展

基于中低体积分数SiCp/Al的性能特点,对比中低体积分数SiCp/Al铝合金及钛合金的力学物理性能,讨论中低体积分数SiCp/Al的性能优势,总结了中低体积分数SiCp/Al在航空航天领域应用情况及目前的发展现状,并提出未来的发展方向.     

搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊工艺

针对搅拌摩擦焊接头隧道类缺陷等强补焊的应用要求,开发了基于TIG焊熔补材料、搅拌摩擦焊增强组织性能的等强补焊工艺,对补焊后的接头进行了微观组织观察与力学性能分析,评价了补焊工艺对接头性能的影响.结果表明,对焊缝同一位置进行不大于三次的重复搅拌摩擦焊,接头力学性能不会明显下降;TIG熔补焊缝经再次搅拌摩擦焊后,其焊缝组织与搅拌摩擦焊焊缝组织特征相似,不会导致接头组织恶化.采用本文开发的等强补焊工艺对某型号火箭液氧贮箱纵缝的隧道缺陷进行了等强补焊,表明该方法有效可行.     

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。     

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.     

SiCp/Al复合材料界面控制与评价新方法

尝试了一种控制 Si Cp/Al复合材料界面状态与性能的新途径 ,并首次应用声发射检测技术及其信号的小波分析新方法对控制效果进行了系统地评价。结果表明 :界面控制新方法的采用 ,使 Si Cp/Al复合材料损伤、断裂过程中的 Si C颗粒拔出模式发生了转变 ,进而显著提高了材料的整体力学性能 ;小波分析特别适合于提取此类复合材料断裂所致声发射信号的深层特征 ,并可望成为反映颗粒增强金属基复合材料界面区力学行为、评价其界面性能的有效手段     

回填式搅拌摩擦点焊过程温度场的数值模拟

根据回填式搅拌摩擦点焊的连接机理,合理的温度场是获得高性能接头的基础;根据回填式搅拌摩擦点焊过程的特点,利用有限元分析软件MSC.Marc建立了焊接过程的有限元模型;在利用测温试验验证有限元模型正确性的基础上,利用数值模拟的方法对7075–T6铝合金焊接过程中的温度场进行研究。结果表明:在预热阶段,温度峰值随摩擦时间的增加呈现先快速后缓慢上升的趋势,在8s左右趋向稳定;在焊接阶段,温度峰值始终位于套筒端面的中心附近,且最大值出现在套筒回抽1s时,同时提高搅拌工具的旋转速度可增加焊接过程的温度最大值。     

SiCp／Al复合材料微蠕变行为及其影响因素分析

 通过对碳化硅颗粒增强铝基复合材料（ＳｉＣｐ／Ａｌ）微蠕变性能的测试及微观组织分析,研究了ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料微蠕变变形规律及机理。结果表明,ＳｉＣｐ／Ａｌ复合材料微蠕变变形行为可分为二个阶段：第一阶段是可动位错的耗尽阶段；第二阶段位错全面开动、增殖是引起材料微蠕变的主要原因。材料内的增强体颗粒、析出相可有效的提高材料的微蠕变抗力。     

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。     

浅析搅拌摩擦焊残余应力

讨论了搅拌摩擦焊残余应力的产生原因,在已有的试验结果的基础上对残余应力的分布和规律进行了概述。并且以钨极氩弧焊(TIG)为例,将搅拌摩擦焊与传统熔焊的残余应力分布进行了对比,进一步肯定了搅拌摩擦焊在铝合金焊接时的优越性。同时还介绍了对搅拌摩擦焊残余应力的控制方法及其效果,最后对有关搅拌摩擦焊的残余应力的研究工作做出了展望。     

SiCp/Al的熔化焊及高能束焊研究现状

针对SiCp增强铝基复合材料（SiCp／Al）的熔化焊接，尤其是高能束焊接，围绕焊缝成形、有害相Al4C3生成、焊接气孔等影响该类材料焊接质量的若干问题，从形成机理、影响因素、控制措施等方面，综述了该领域的研究现状，指出了今后的研究方向。     

脉冲电流辅助粉末夹层TLP连接SiC_p/Al接头微观组织和力学性能

研究脉冲电流辅助瞬间液相(Transient Liquid Phase,TLP)扩散连接技术,采用粉末中间层,利用低压高强脉冲电流通过铝基复合材料搭接面与中间层,从而实现对SiC_p/2024Al复合材料板材的TLP扩散连接。分析不同工艺参数下连接试样的微观组织和力学性能,探索脉冲电流对铝基复合材料连接的影响机理。结果表明:采用真空压强为1×10~(-3)Pa,平均电流密度115 A/mm~2,连接预紧压力为0.5 MPa,连接时间60 min条件下,连接接头形成了良好的冶金连接界面,无缺陷产生;通过对连接接头微观组织观察发现,在脉冲电流作用下,接头原位生成弥散的高强度高硬度金属间化合物增强相,有效地提高了接头的力学性能。     

铝合金搅拌摩擦焊表面冷喷涂层的结构与耐蚀性

采用冷喷涂技术在2219铝合金搅拌摩擦焊接头上制备Al涂层,以提高搅拌摩擦焊接头耐蚀性。通过数字显微镜、扫描电镜、电化学工作站对Al涂层的结构及耐蚀性进行表征。结果表明:冷喷Al涂层质量良好,孔隙率仅为0.77%,涂层内部存在等轴晶、细化晶粒以及拉长晶粒,涂层界面以机械咬合为主,涂层/接头区界面质量明显优于涂层/母材区界面;电化学数据显示,涂层腐蚀敏感性较低,自腐蚀电位和腐蚀电流密度均低于热影响区,冷喷涂层降低了搅拌摩擦焊接头的腐蚀敏感性;晶间腐蚀实验表明,腐蚀6 h后,涂层最大腐蚀深度仅为热影响区最大腐蚀深度的50%,证明冷喷涂技术显著改善了搅拌摩擦焊接头的耐腐蚀性。     

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。     

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。     

2524铝合金的搅拌摩擦焊对接工艺

以2524-T3板材作为试验材料,研究了薄板的搅拌摩擦焊对接工艺,优化了对接焊的工艺参数,获得了焊接工艺窗口及最优工艺参数.在最优工艺参数下生产的对接焊件具有良好的质量外观,焊件的变形量和焊缝减薄量极小;焊件的X射线检测结果表明焊件内部质量良好,没有在照片上发现缺陷;金相组织分析显示,焊缝横截面组织均匀致密;焊接接头静力拉伸性能测试结果表明焊缝抗拉强度的平均为397 MPa,为母材抗拉强度的90.4％.     

AA2024铝合金搅拌摩擦焊接头特性研究

对6 mm厚AA2024-T4铝合金搅拌摩擦焊接头特性进行了研究。通过拉伸试验,得到了应力-应变曲线。用光学显微镜、显微硬度仪以及扫描电镜对焊接接头进行了金相分析、硬度测试以及断口分析。结果表明：试件断裂属于韧性断裂;断裂发生在前进侧热机影响区/热影响区的过渡区;当搅拌头转速为800 r/min,焊接速度为100 mm...     

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。