TIG与FSW焊接工艺下2219铝合金疲劳裂纹扩展性能研究

目的 研究钨极惰性气体保护焊(TIG)和搅拌摩擦焊(FSW)对2219铝合金焊接接头疲劳性能的影响,并探究这2种不同焊接技术条件下焊接接头疲劳裂纹的产生与裂纹扩展原理,了解2种焊接接头的抗裂纹扩展能力,为工程实践应用提供数据参考。方法 采用疲劳裂纹扩展试验方法,测试上述2种焊接工艺条件下焊缝金属和热影响区组织的疲劳裂纹扩展速率da/dN和阈值,使用光学显微镜和扫描电子显微镜观察并分析金相组织和疲劳断口形貌特征。结果 疲劳裂纹倾向于沿裂纹处萌生,裂纹的存在成为主要的裂纹扩展源头,有利于加速裂纹向前延伸。热影响区由于组织结构不均匀,不同位置的晶粒尺寸存在明显差异,疲劳裂纹扩展路径倾向于沿靠近焊缝一侧向靠近母材区域扩展。TIG焊接工艺下焊缝金属和热影响区的裂纹扩展速率明显低于FSW焊接工艺下的焊缝金属和热影响区,与此同时,TIG焊接接头表现出优良的抗疲劳裂纹扩展性能。结论 通过此研究,建议2219铝合金焊接接头采用TIG焊接工艺,抗疲劳裂纹扩展效果更佳。     

2219和2195铝合金焊接接头的腐蚀行为差异研究

目的 研究运载火箭贮箱用2195新型铝锂合金搅拌摩擦焊接头和熔化焊接头相对于传统的2219铝合金焊接接头耐腐蚀性能的差异,分析耐蚀性的演变规律,为贮箱制造及表面防护提供理论指导。方法 以传统的2219铝合金为对照,采用盐雾腐蚀试验、动电位极化曲线测试等方法系统研究2195铝锂合金焊接接头的腐蚀电位、腐蚀电流密度、腐蚀速率等方面的性能,进而判断新型铝合金材料与传统铝合金材料耐蚀性能的差异。结果 2种铝合金焊接接头各个亚区的耐蚀性均呈现相同的变化规律,其中搅拌摩擦焊接头的耐蚀性能按照热影响区、母材区、热机影响区、焊核区的顺序依次增加;TIG焊接头的耐蚀性能按照热影响区、母材区、焊缝区的顺序依次增加,且在热影响区存在晶间腐蚀的现象。此外,2219和2195铝合金TIG焊接接头热影响区自腐蚀电位分别为?0.653 V和?0.667 V,腐蚀电流密度分别为7.35 mA/cm²和7.55 mA/cm²。结论 2219和2195铝合金搅拌摩擦焊和TIG焊接头的耐蚀性差别不大,且均在热影响区耐蚀性最差;采用同种合金进行焊接时,TIG焊接头的耐蚀性能比FSW接头的差。     

铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能分析

目的 研究7020铝合金搅拌摩擦焊(FSW)的结构和机械性能。方法 采用搅拌摩擦焊对铝板进行对接焊试验,具体形式为单面焊双面成型。采用拉伸机和显微维氏硬度仪对试样进行力学性能测试;利用蔡司金相、光谱仪、扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究母材和焊接接头的微观组织。结果 在硬度上,母材>热影响区>焊核区,热影响区平均硬度约为94HV,母材平均硬度为99HV,焊核区平均硬度最低为78HV,焊核区出现“S”缺陷,在一定程度上弱化了焊核区性能;7020铝合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度为235 MPa,屈服强度为158 MPa,屈强比为0.67,伸长率为7%,焊接系数可以达到73.8%;母材的抗拉强度为325 MPa,屈服强度为278 MPa,屈强比为0.86,伸长率为25%;焊接接头中心显微组织主要由胞状树枝晶体组成,显微结晶依次呈现为平面晶、胞状晶、树枝状晶、等轴晶;铝合金母材和焊接接头的金属相组成均为α?Al+Mg2Si;焊接接头断口呈现比较明显的韧性断裂特征。结论 铝合金搅拌摩擦焊可以获得性能比较优良的焊接接头,为其他铝合金材料的FSW焊接提供技术参考。     

6005A铝合金挤压型材搅拌摩擦焊接头的疲劳性能

对6005A-T6铝合金挤压型材进行焊速为1000 mm/min的搅拌摩擦高焊速焊接,研究了对接面机械打磨对接头组织和力学性能的影响。结果表明,与生产中常用的焊前打磨处理相比,尽管对接面未机械打磨的接头焊核区的“S”线更明显,但是两种接头的硬度分布和拉伸性能相当,拉伸时都在最低硬度区即热影响区断裂。高周疲劳实验结果表明,两种接头的疲劳性能也基本相当,疲劳强度分别为105 MPa和110 MPa;在高应力幅下样品断裂于母材,在低应力幅下断裂于热影响区且出现两个裂纹源。两种接头的疲劳断口有裂纹源区、扩展区、最终断裂区,都呈现出典型疲劳断口特征。研究结果表明,焊前是否进行机械打磨对FSW接头的静态拉伸和动态疲劳性能没有明显的影响。     

高速列车用铝合金型材激光-MIG复合焊工艺特性和接头性能

激光-MIG复合焊是实现高速列车铝合金车体优质、高效、低成本焊接制造的理想技术。针对高速列车铝合金车体用的3 mm厚6A01-T5铝合金型材，开展激光-MIG复合焊工艺试验，研究工艺参数对焊缝成形及气孔缺陷的影响规律，分析接头的组织特征、硬度分布、拉伸及疲劳性能。结果表明:在满足焊缝熔透条件下，较小的激光功率、较小的电弧电流或较低的焊接速度有益于减少气孔缺陷;接头组织从焊缝中心到母材依次是等轴晶区、柱状晶区、半熔化区、过时效区和母材区，相比电弧主要作用区，激光主要作用区的等轴晶尺寸更小且半熔化区宽度更窄。接头存在软化现象，焊缝区硬度最低，热影响区宽度约1.5 mm;接头的平均抗拉强度达197.5 MPa，为母材抗拉强度的80.6%，试样断裂于焊缝区，表现为明显的韧性断裂特征;接头的疲劳强度为93.5 MPa，裂纹萌生于焊缝表面的组织疏松处，裂纹扩展区断口呈现明显的韧性断裂和脆性断裂的混合断裂特征。     

2195-2219异种铝合金焊接接头的微观组织和性能

用钨极氩弧焊(TIG)和变极性等离子弧焊(VPPA)对2195与2219异种铝合金进行平板对接焊，研究了不同焊接方法和在有无保护气氛条件下焊接接头的显微组织和性能。结果表明，在用TIG和VPPA工艺焊接的接头区域都没有出现宏观热裂纹，能量密度高、焊接快和热输入量小的VPPA工艺使焊缝区域较窄；异种铝合金焊缝接头熔合线附近的主要析出相为θ相，在焊缝区域有α-Al与θ相组成的共晶组织；在TIG工艺和有气氛保护的VPPA工艺的焊接接头区域没有出现局部软化现象，焊缝区域的硬度与2219侧母材相同。TIG工艺的焊接接头，其抗拉强度更高。     

厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊接头组织与性能

研究了35mm厚板铝合金搅拌摩擦焊匙孔补焊工艺,应用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及电子拉伸试验机等对接头的组织与性能进行了研究。结果表明,采用铝合金块材填充匙孔后进行FSW焊接,获得成型良好、表面光滑的焊缝;未加填充材料的匙孔位置,焊缝表面出现沟槽缺陷。FSW焊接一次接头的前进侧焊核区与热力影响区之间存在"吻接"缺陷;FSW焊接二次和三次接头的前进侧和后退侧过渡区均连接良好,二者组织无明显差别;FSW焊接一次和二次接头显微硬度分布呈W型,硬度最低值均出现在前进侧热影响区分别为56HV和60HV;采用搅拌头旋转速率为720r/min,焊接速率为180mm/min焊接工艺条件下,FSW焊接一次、二次和三次接头抗拉强度分别达到173、210和205MPa。     

轨道交通用6082-T6铝合金MIG焊接接头组织与疲劳性能

对轨道交通用6082-T6铝合金进行MIG焊接,使用光学显微镜、X射线衍射仪、显微硬度计分别对焊接接头的显微组织、相结构与显微硬度进行观察与分析。结果表明,熔合区为柱状晶组织,焊缝主要由树枝晶和胞状晶组成,焊缝中心为等轴晶,焊缝体现出联生结晶的特点。母材相组成为基体α-Al固溶体、β-Mg2Si以及单质Si,焊缝金属相组成主要为α-Al固溶体。热影响区的宽度达31mm,且存在一个软化区。设定应力比R=0,测试了铝合金的疲劳寿命,通过拟合试验数据得到S-N曲线,得到MIG焊接6082-T6铝合金焊接接头的条件疲劳极限为99MPa,为母材的72.26%。用扫描电镜对疲劳断口进行观察和分析,结果表明,疲劳断口分布的二次裂纹促进了疲劳裂纹萌生和扩展,第二相粒子对疲劳裂纹的萌生起着重要的作用,焊缝中的气孔则容易成为疲劳源。稳态扩展区出现大量呈平行趋势且具有规则间距的疲劳条带,瞬断区存在大量韧窝和撕裂棱,体现出韧性断裂的特征。     

焊接速度对 7A52 铝合金 FSW 组织及力学性能的影响

目的在保证搅拌速度一定时,针对8 mm厚的7A52铝合金,在不同焊接速度下采用搅拌摩擦焊(FSW)进行焊接试验,研究其焊接接头的显微组织及力学性能。方法利用搅拌摩擦焊机进行对接焊接,焊后制取金相试样观察焊接接头宏观形貌和显微组织,并测定其力学性能。结果7A52铝合金FSW焊接接头焊核区的面积随着焊接速度的增大而增大,当焊接速度为250mm/min时,焊接接头的焊核区面积最大,焊核区的显微组织都为细小的等轴晶,焊接接头横截面的焊核区呈明显"洋葱环"的形貌,而热力影响区的结构特征则呈现出了较高的塑性变形流线层。焊接接头显微硬度分布都呈现出"W"形变化,在焊接速度为150 mm/min时,焊接接头的平均抗拉强度能达到452 MPa,达到了母材抗拉强度的89%。结论通过对不同焊接速度下7A52铝合金FSW焊接接头的组织和性能进行研究,得到了不同焊接速度下焊接接头组织和力学性能。     

几何参数对2219铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头微观组织及力学性能的影响EI北大核心CSCD

拉拔式摩擦塞补焊是火箭贮箱制造过程的重要技术之一。研究8 mm厚2219-T87铝合金拉拔式摩擦塞补焊接头的几何形状及其对接头微观组织和力学性能的影响。结果表明:塞孔及成形环几何形状对接头界面结合质量有重要影响。当焊接工艺参数为7000 r·min^(-1)主轴转速,35 kN轴向拉力以及16 mm轴向进给量时,使用锥直孔塞孔可有效防止塞棒在焊接过程中发生颈缩,从而消除接头未焊合缺陷;使用阶梯孔形成形环可以改善接头界面受力状态,防止弱结合缺陷产生。微观组织分析表明,毗邻结合界面的母材侧组织发生动态再结晶,热机械影响区组织发生明显塑性变形。接头附近组织受焊接热循环和塞棒旋转挤压作用发生明显软化,硬度最低值出现在热机械影响区,约为90HV。当接头存在焊接缺陷时,接头抗拉强度及伸长率较母材大幅降低,而无缺陷焊接接头的抗拉强度及伸长率分别为360.1 MPa和6.45%,接头系数为0.828,断裂方式为韧性断裂。     

5083铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸行为研究

目的 研究5083铝合金搅拌摩擦焊接（FSW）的组织、力学性能和拉伸应变,分析接头的拉伸行为。方法 采用数码相机、光学显微镜、电子扫描显微镜等表征分析方法,对焊缝的表面宏观成形、微观组织、断口形貌进行分析;利用拉伸机、三维数字动态散斑应变测量分析系统和显微维氏硬度计对接头的力学性能和拉伸应变进行测试。结果 不同焊接工艺参数下FSW接头的最低抗拉强度为305 MPa,断后延伸率达到了14%以上;焊核区拉伸应变沿板厚方向呈现上高下低和上宽下窄的不均匀梯度分布,发生了较大程度的变形强化,直到拉伸应力达到抗拉强度。断裂失效前300/120接头的最大拉伸应变在晶粒粗大的母材区,500/120和500/200接头的最大拉伸应变则位于晶粒尺寸差异较大的后退侧焊核区与热力影响区交界处。接头拉伸断口宏观上均为45°剪切韧性断裂,微观上均以韧窝韧性断裂为主,而高热输入500/120接头出现脆性断裂特征,其延伸率明显降低。结论 高热力耦合输入使铝合金FSW接头薄弱区发生转变,强韧性降低。     

Low cycle fatigue properties of friction stir welded joints of a semi-solid processed AZ91D magnesium alloy

A semi-solid processed (thixomolded) Mg–9Al–1Zn magnesium alloy (AZ91D) was subjected to friction stir welding (FSW), aiming at evaluating the weldability and fatigue property of the FSW joint. Microstructure analysis showed that a recystallized fine-grained microstructure was generated in the nugget zone (NZ) after FSW. The yield strength, ultimate tensile strength, and elongation of the FSW joint were obtained to be 192 MPa, 245 MPa, and 7.6%, respectively. Low-cycle fatigue tests showed that the FSW joint had a fatigue life fairly close to that of the BM, which could be well described by the Basquin and Coffin-Manson equations. Unlike the extruded magnesium alloys, the hysteresis loops of FSW joint of the thixomolded AZ91D alloy were basically symmetrical, while the non-linear or pseudoelastic behavior was still present. The FSW joint was observed to fail in the BM section rather than in the NZ. Fatigue crack initiated basically from the pores at or near the specimen surface, and crack propagation was mainly characterized by fatigue striations along with the presence of secondary cracks.     

Comparison of fatigue properties between friction stir welds and TIG welds

对比分析了搅拌摩擦和氩弧焊两种工艺方法对铝合金焊接接头疲劳性能的影响,建立了焊接接头的S-N曲线,结果表明：在相同的载荷条件下,搅拌磨擦焊接接头的疲劳性能优于氩弧焊接头。搅拌摩擦焊接头疲劳寿命N=106次的疲劳强度值约为59~65MPa之间。对焊接接头显微组织的分析表明：搅拌摩擦焊接接头具有比氩弧焊接头更为细小的晶粒和狭窄的焊接热影响区,阻碍了滑移带的形成和裂纹的扩展,从而提高了接头的疲劳性能。TIG焊接接头疲劳端口分析显示,焊接缺陷是主要的疲劳裂纹源。     

铝合金6082和5083 MIG焊接头的微观组织和性能

对高速列车车体常用铝合金6082与5083板材进行熔化极氩弧焊(MIG)对接,利用光学显微镜和扫描电镜分析异种材料焊接接头的显微组织特点,利用显微硬度计、拉伸试验机和电化学工作站对接头的力学性能和耐腐蚀性能进行测试和分析。研究结果表明,焊缝成型良好,焊缝区由细小的胞状树枝晶和等轴晶构成,熔合线附近为粗大的柱状晶;焊接接头抗拉强度为199.92 MPa,断后伸长率为5.18%,断裂位置在铝合金6082的焊接热影响区(HAZ),为韧性断裂,接头的正弯性能较差,背弯性能良好;铝合金5083侧的热影响区宽为4mm,6082侧的热影响区宽为15mm,接头两侧的硬度分布有明显差别,在6082侧距焊缝中心12.5mm的显微硬度最低为63HV;6082-5083异种铝合金焊缝的耐蚀性能优于母材5083,但比母材6082差。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的不均匀性研究

目的 针对2219铝合金搅拌摩擦焊接头受焊接热作用和机械搅拌作用的影响,极易产生组织和力学性能不均匀的情况,深入研究接头的局部力学性能,为焊接工艺优化提供理论指导.方法 采用显微组织分析与数字图像相关(DIC)技术测试相结合的方法,对2219铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和局部力学性能进行表征,并建立搅拌摩擦焊接头各区域的局部力学性能模型.结果 2219铝合金搅拌摩擦焊接头的力学性能薄弱区为热机影响区.试样断裂前该区域局部应力达到345 MPa,局部应变为18.9％,而此时母材应变仅为1.91％.结论 热机影响区的组织在焊接热作用和机械搅拌的双重作用下发生了粗化和软化,导致该区的力学性能降低,是整个焊接接头的薄弱区域.     

Mathematical model and optimization for underwater friction stir welding of a heat-treatable aluminum alloy

During the friction stir welding (FSW) of heat-treatable aluminum alloys, the welding thermal cycles tend to cause a local softening in the joints and thus lead to a degradation in joint properties. Underwater FSW has been demonstrated to be available for the strength improvement of normal joints. In order to obtain the optimum welding condition for underwater FSW, a 2219-T6 aluminum alloy was underwater friction stir welded and a mathematical model was developed to optimize the welding parameters for maximum tensile strength in the present study. The results indicate that a maximum tensile strength of 360 MPa can be achieved through underwater FSW, higher than the maximum tensile strength obtained in normal condition.     

工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响

目的研究工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响。方法采用搅拌摩擦焊-钎焊方法,在不同焊接工艺参数下焊接2A12-T4铝合金和AZ31镁合金。结果当焊接速度为23.5mm/min、旋转速度为375 r/min时,焊接接头的抗拉剪力达到最大,为5.5 kN,比搅拌摩擦焊接头的最大抗拉剪力的5.0 kN提高了10%。结论搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接的工艺参数会显著影响铝/镁异种金属接头力学性能,通过优化工艺参数能够获得力学性能优异的铝/镁异种金属焊接接头。复合焊接接头的抗拉剪力随着焊接速度的增大呈现先增大后减小的趋势。     

国产与进口5083-H116铝合金微观组织及疲劳裂纹扩展速率研究

研究了国产与进口5083-H116态铝合金轧制薄板材（厚度3 mm）的微观组织及其疲劳裂纹扩展行为。结果表明,国产与进口5083铝合金化学成分均满足相应标准要求。国产与进口5083铝合金显微组织均存在较多的粗大第二相,但后者的数量更多;相对于国产合金,进口合金晶粒尺寸更加细小、分布更加均匀。沿板材横、纵向,国产合金的抗拉强度和屈服强度皆高于进口合金,而延伸率相反。进口合金的疲劳裂纹扩展速率低于国产合金,在ΔK=15 MPa·m1/2时,其裂纹扩展速率降低了32%以上。疲劳断口皆呈3个典型区域:裂纹萌生区均出现疲劳辉纹,相对于进口合金,国产合金较平坦且存在分层现象;稳态扩展区皆有明显疲劳辉纹,辉纹间距分别为0.405 5μm和0.282 3μm;瞬断区内,进口合金具有数量更多、尺寸更小的韧窝。