7075铝合金搅拌摩擦焊工艺对接头沉淀相析出行为影响

采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为6mm的7075铝合金进行不同工艺下的平板对接试验,使用光学显微镜、显微硬度仪、X射线衍射仪(XRD)及透射电镜(TEM)对接头微观组织、显微硬度及沉淀相种类与形貌进行分析。结果表明:接头中沉淀相主要有棒状MgZn_2、椭圆状AlCuMg以及胶囊状Al_2CuMg三种,AlCuMg和Al_2CuMg强化效果好于MgZn_2的。焊核区(WNZ)中沉淀相主要是AlCuMg与Al_2CuMg,显微硬度较高;相比WNZ,热机影响区(TMAZ)中沉淀相AlCuMg和Al_2CuMg相对较少,MgZn_2相对较多,显微硬度降低;热影响区(HAZ)中的MgZn_2相对更多,显微硬度进一步降低。随着转速(ω)的增加,WNZ和TMAZ中沉淀相尺寸增大,显微硬度先升高后降低;HAZ中沉淀相尺寸和数量变化不大。随着焊速(v)的增加,WNZ、TMAZ和HAZ中沉淀相数量增多、尺寸变小,显微硬度有所上升。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂过程分析

使用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)设备对厚度为6 mm的7075铝合金平板进行对接试验,利用MTS液压伺服试验机对7075铝合金FSW接头进行拉伸卸载试验,借助Olympus金相显微镜对接头损伤行为进行观察,使用有限元软件ABAQUS对7075铝合金FSW接头在拉伸过程中的应力状态进行计算分析。结果表明,7075铝合金FSW接头在拉伸过程中,微裂纹分别在前进侧热影响区(HAZ)与热机影响区(TMAZ)交界处及焊核区(WNZ)底部形成,最终前进侧HAZ与TMAZ交界处裂纹发展成主裂纹,主裂纹沿着HAZ与TMAZ的交界扩展导致接头断裂。7075铝合金FSW接头拉伸过程中在厚度方向上出现挠曲变形,并且三向应力度在WNZ与TMAZ交界处和TMAZ与HAZ交界处存在突变,从而加剧微裂纹扩展。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理

使用MTS拉伸试验机和扫描电镜加载台分别对7075铝合金FSW接头进行拉伸卸载和原位拉伸试验,并借助Olympus金相显微镜对卸载后接头损伤行为进行观察,使用有限元软件ABAQUS对接头在拉伸过程中的应力状态进行分析. 结果表明,7075铝合金FSW接头在拉伸过程中微裂纹分别在前进侧热影响区(HAZ)与热力影响区(TMAZ)交界处和焊核区(WNZ)底部形核,最终前进侧HAZ与TMAZ交界处裂纹发展成主裂纹,主裂纹沿HAZ与TMAZ交界扩展导致接头断裂. 原位拉伸试验接头同样在该区域发生断裂. 该处由于三向应力度较高、显微硬度较低、过渡组织不连续以及沉淀相MgZn2取向分布而成为整个7075铝合金FSW接头的最薄弱环节.     

6N01铝合金FSW接头微观组织及力学性能研究

采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为4 mm的6N01铝合金进行不同工艺的平板对接试验。使用光学显微镜(OM)、显微硬度仪及微控电子万能试验机对接头微观组织、显微硬度及力学性能进行表征。结果表明,6N01铝合金FSW接头由焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)及热影响区(HAZ)组成;WNZ组织为细小的等轴晶;TMAZ组织发生较大程度的变形;AS(前进侧)TMAZ与WNZ分界线明显,而RS (后退侧)TMAZ相对较为模糊;HAZ仅受热循环作用,组织比母材稍有粗化;WNZ显微硬度可达65 HV,AS TMAZ的显微硬度低于RS TMAZ,硬度最小值位于AS TMAZ;焊接速度为400 mm/min,转速为1200 r/min时,接头的抗拉强度达到最大值169.50 MPa。拉伸试样起裂部位在AS TMAZ与HAZ的过渡处,然后向WNZ扩展。断裂形式为韧性断裂。     

焊接参数对7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

使用搅拌摩擦焊(FSW)设备,采用不同搅拌针转速和焊速对厚6 mm的7075高强铝合金平板进行对接试验,并对不同焊接工艺下的接头进行微观组织观察和力学性能测试。研究结果表明:7075铝合金FSW接头由焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BMZ)组成;随着搅拌针转速的增大,接头中焊核区的晶粒越大;随着焊速的增大,接头中焊核区晶粒越细小;不同工艺参数下的FSW接头显微硬度分布曲线都呈W形。随着转速的提高和焊速的减小,接头显微硬度升高,但波动范围较小;随着转速和焊速的提高,接头抗拉强度先降低后提高;转速为400 r/min,焊速为120 mm/min时,接头抗拉强度最高,为417 MPa,是厚6 mm的7075铝合金FSW最佳的工艺参数。     

旋转摩擦挤压7075铝合金组织及第二相形貌

采用旋转摩擦挤压法(RFE)加工T6态7075铝合金,对挤压后的7075铝合金进行热处理,观察了7075铝合金的显微组织和第二相变化,测试了加工后材料的显微硬度。结果表明,RFE态的7075铝合金为未完全再结晶的细小等轴晶,平均晶粒尺寸约为15μm。经热处理后,铝合金中未发生再结晶的晶粒继续完成再结晶,晶粒尺寸进一步细化均匀,约为8μm。RFE加工使7075铝合金中保留的初生金属间化合物尺寸变小,原沉淀析出的第二相(MgZn_2相)在RFE加工过程中大部分发生重溶,未重溶的MgZn_2相发生粗化,经热处理后7075铝合金中析出的MgZn_2相尺寸细小,呈弥散分布。RFE态7075铝合金显微硬度低于基材,但经T6热处理后,其硬度为177.5HV,高于基材,7075铝合金中第二相对基体的强化效果较细晶强化作用更显著。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形行为及等效模型

利用有限元软件ABAQUS对厚度为6 mm的7075铝合金搅拌摩擦焊(FSW)平板对接接头进行拉伸模拟,通过对不同热输入条件下接头中三轴应力度(σm/σe)的计算,研究了热输入对7075铝合金FSW接头变形的影响规律。在此基础上,建立了7075铝合金FSW接头有限元等效模型。研究结果表明,不同热输入条件下的接头中的三轴应力度突变均发生在TMAZ与HAZ交界处和HAZ与BM交界处;随着热输入增大,三向应力度的最大值升高,最小值减小,7075铝合金FSW接头的屈服强度和抗拉强度均先增大后减小。转速为800 r/min,焊速为300 mm/min,即热输入为2.67 r/mm时是厚度为6 mm的7075铝合金FSW平板对接的最佳焊接工艺参数,此时接头的屈服强度和抗拉强度达到最大值;7075铝合金FSW接头等效模型可以代替精细模型用于后续整车有限元模拟。     

2024-T4铝合金搅拌摩擦焊搅拌区位错及组织性能

采用金相、显微硬度及透射分析方法对2024铝合金搅拌摩擦焊接头搅拌微区的组织性能和位错分布特征进行试验分析,基于位错分析深入了解各微区位错形成与接头组织结构与硬度变化之间的关系。研究表明,WNZ位错主要分布在晶粒内部,大部分是以位错缠结的形式存在,并伴随有大量的沉淀强化析出相Cu_2Mg;而在TMAZ区,大量的位错是以位错塞积的形式存在于晶界或晶粒内部;HAZ区域的位错多以位错塞积的形式存在于晶界附近,并伴随一些典型的Al Cu_3析出相。WNZ和TMAZ区中并未随晶粒细化而造成位错数量和类型的减少,这与FSW特殊的动态回复和动态再结晶过程有关,此外位错分布特征与接头微区硬度分布特征基本吻合。     

超声表面机械研磨处理对6061铝合金FSW接头疲劳行为的影响

利用超声表面机械研磨处理(USMGT)方法对6061-T6铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头进行了表面晶粒细化处理,采用光学显微镜、显微硬度仪、扫描电镜等测试手段,对接头组织、力学性能及疲劳性能进行了分析。结果表明,USMGT处理后焊接接头表面形成了包含大量细化晶粒的梯度细晶层,表面细晶层的形成使接头表面硬度得到提高;接头的宏观断裂位置在热机影响区(TMAZ)和热影响区(HAZ)之间,滚压处理强化试样表层,FSW接头内部TMAZ和HAZ之间出现的软化现象无法消除,相比其他区域,该部分依然是疲劳薄弱区,承受载荷时微观裂纹源萌生位置由表面向内部迁移;滚压处理会使表层引入残余压应力,从而使得接头的疲劳性能得到提高,当应力幅值为150 MPa时,USMGT后的接头疲劳寿命达到未处理的3. 5倍。     

7075厚板铝合金搅拌摩擦焊接头晶间腐蚀行为研究

对20 mm厚7075铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头沿板厚方向进行分层晶间腐蚀行为研究。借助光学显微镜及扫描电子显微镜分析了接头组织、第二相成分及分布、腐蚀深度及接头各区腐蚀形貌。结果表明:焊缝中心区腐蚀程度最轻,热机影响区(TMAZ)次之,热影响区(HAZ)腐蚀程度最严重;沿板厚向下,焊核区(NZ)腐蚀程度逐渐变大,TMAZ腐蚀程度先变大后减小,HAZ腐蚀程度逐渐减小;接头沿板厚方向晶粒大小和第二相粒子尺寸及分布存在差异,是造成沿板厚方向各区不同晶间腐蚀程度的主要原因。     

Strength mismatch mechanism on friction stir welding joint of 7075 aluminum alloy

The precipitated phases in the WNZ, TMAZ, HAZ and BM of the friction stir welding(FSW) joint were observed using the transmission electron microscopy(TEM) and the lattice fringe spacing of the precipitated phases was measured. Combined with X-ray diffraction(XRD), the types of precipitated phases among the joint were confirmed and then the strength mismatch mechanism was revealed.The results show the precipitated phases of 7075 aluminum alloy FSW joint mainly consist of MgZn_2, AlCuMg and Al_2 CuMg. The microzone of the joint experienced different thermal cycles, the types and sizes of precipitated phases are different and the strengthening effect is different. The strengthening effect of the AlCuMg and Al_2 CuMg are better than that of MgZn_2. The precipitated phase in the WNZ mainly includes AlCuMg and Al_2 CuMg, as well as the grain size is fine, the microhardness in this zone is pretty high. The number of precipitated phase AlCuMg and Al_2 CuMg is smaller in the TMAZ and the MgZn_2 is relatively more, which lead the microhardness decrease. The number of precipitated phase MgZn_2 is relative larger in the HAZ, as well as the grain coarsening, the microhardness in this zone is lowest of the joint. At the same time, there are the precipitate free zones(PFZ) among the 7075 aluminum alloy FSW joint, which decreases the microhardness of the whole joint to some extent.     

氧化物弥散强化材料的搅拌摩擦焊分析

为了探索搅拌摩擦焊技术应用于氧化物弥散强化材料的可焊接性及其基本特点,文中对厚度为4 mm的氧化物弥散强化铜合金进行了焊接试验,并对焊接接头的宏观形貌、微观组织、显微维氏硬度进行了分析. 发现焊接接头横截面由搅拌区、热力影响区、热影响区和母材区4部分组成. 前进侧热影响区与热力影响区形成明显的分界线,后退侧则相对模糊. 搅拌区的组织为细小的等轴晶粒,出现了洋葱环和L线,热力影响区晶粒沿一定方向发生形变,热影响区组织粗化. 沿焊缝横截面的显微维氏硬度呈V形分布,其中搅拌区硬度值最低.     

搅拌摩擦焊接Al-Li合金接头的微观组织及力学性能

采用锥形带螺纹搅拌头搅拌摩擦焊接5mm厚的Al—Li合金轧制板材，并对接头组织、力学性能及断裂特性进行了研究．结果表明，焊核区组织发生动态再结晶，形成细小的等轴晶晶粒，在等轴晶的晶界处析出大量的偏析相．热影响区组织发生回复和粗化反应，形成粗大的棒状回复晶粒；热机影响区组织发生弯曲变形，但整体上仍保留带状组织形貌，前进侧热机影响区组织变形程度高于后退侧，该区同时还发生回复反应，且后退侧热机影响区内的回复晶粒数量多于前进侧．拉伸实验结果表明，焊接速度v=40mm／min时，接头强度达到最大值，为345MPa；v=60mm／min时，接头延伸率达到最大值，为9．6％．硬度测试结果表明，搅拌摩擦焊接头发生软化，前进侧的软化区宽度大于后退侧．断口形貌分析表明，接头断裂模式为韧-脆混合型断裂．     

常规FSW与双轴肩FSW对铝合金接头组织和性能的影响

对采用常规FSW和双轴肩FSW所得到焊接接头性能进行试验研究,测试了两种焊接得到的焊接接头的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率,并对接头的微观组织和断口形貌进行了观察和分析.结果表明,双轴肩FSW接头横截面形成了一组由内向外扩张“洋葱环”状的椭圆环;常规FSW焊核区与热力影响区之间组织发生明显变化;硬度的最低处为双轴肩FSW前进侧热力影响区,最高处为双轴肩FSW接头上表面焊核区;常规搅拌摩擦焊接头的综合力学性能最好,双轴肩次之;断口形貌分析表明,接头断裂模式均为韧性断裂,且常规FSW断口韧窝尺寸比双轴肩FSW接头韧窝小而深,表现出更好的塑性.     

铝合金FSW拼焊板塑性变形规律研究

铝合金搅拌摩擦焊拼焊板焊缝各区力学性能的差异导致拼焊板成形时严重的不均匀性,降低了拼焊板的成形性能,极大地限制了铝合金拼焊板的应用。以2024铝合金搅拌摩擦焊拼焊板为研究对象,通过实验和有限元模拟系统研究接头力学性能失配对铝合金拼焊板塑性成形性能的影响规律和机理。对铝合金搅拌摩擦焊接头进行金相检验和硬度测试,根据接头组织及硬度分布特征,将搅拌摩擦焊接头划分为焊核区、热机影响区、热影响区以及母材区4个部分,以此建立搅拌摩擦焊接头的有限元模型,并对接头变形过程中的约束与协调变形规律进行分析。接头变形时拉伸应力在屈服应力最小的区域最低,在屈服应力较大的区域相应升高,且在接头中存在失配比交界处都会发生突变。从形变能的角度分析,这主要是由于力学性能失配而导致变形不协调及相互约束,表现在接头拉伸性能上就是屈服强度及屈服位置、抗拉强度、延伸率随接头各区失配比组合的差异。     

ZL114A铸铝搅拌摩擦焊接头性能

研究了采用不同焊接参数时ZL114A铸铝搅拌摩擦焊接头的金相组织、硬度分布及力学性能。结果表明，ZL114A铸铝的搅拌摩擦焊焊接性良好。焊核区的微观组织是无方向性的、细小的等轴晶粒。细化的硅粒子均匀布满整个焊核区。与粗大的树枝状母材相比，焊核晶粒细小、均匀而致密，没有观察到气孔等缺陷。焊缝区硬度分布较母材稳定，变化范围小。随着焊速增加，硅粒子所占体积比逐渐下降。热一机械影响区晶粒被拉长。接头的力学性能与焊接参数的匹配有关系。采用高焊速及转速与焊速比在3左右，获得的接头抗拉强度可达到母材的91％。焊后经T6热处理，可与同炉热处理母材等强。     

2A14-T4铝合金T形接头静轴肩搅拌摩擦焊组织结构与力学性能

采用静轴肩搅拌摩擦焊接法（SSFSW）在不同的焊接速度下制备了2A14-T4铝合金T形接头。在优化的焊接工艺参数下,可以得到光滑的T形接头焊缝表面。结果表明：焊接熔核区（WNZ）的显微组织为完全动态再结晶产生的细小等轴晶,第2次焊核区（WNZ2）的平均晶粒尺寸最大,焊接重合区（WNOZ）次之,第1次焊核区（WNZ1）的平均晶粒尺寸最小。WNZ的再结晶机制主要是几何动态再结晶,并伴有部分连续动态再结晶。WNZ1和WNZ2织构类型为弱{111}<110>,而WNOZ经过2次搅拌后织构类型为弱{100}<001>。热机械影响区（TMAZ）发生塑性变形,而热影响区（HAZ）只受到焊接热循环作用,不发生塑性变形和晶粒的动态再结晶。WNZ的硬度较高,硬度最低的区域位于靠近TMAZ的HAZ。随着焊接速度的增加,接头抗拉伸强度先增大后减小。底板和加强板的主要断裂形式是脆性/韧性混合断裂。     

Microstructure and Properties of TIG/FSW Welded Joints of a New Al-Zn-Mg-Sc-Zr Alloy

A new Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy with low Sc content was welded by tungsten inert gas (TIG) and friction stir welding (FSW) techniques. The microstructure and properties of those two welded joints were investigated by property tests and microstructural observations. The results show that the new Al-Zn-Mg-Sc-Zr alloy has desirable welding property. The ultimate tensile strength and welding coefficient of the TIG joint reach 405 MPa and 76.7%, respectively, and in FSW joint those property values reach 490 MPa and 92.6%, respectively. The studied base metal has a deformed fibrous subgrains structure, many nano-scaled Al₃(Sc,Zr) particles, and very fine aging precipitates. In the TIG joint, the fusion zone consists of coarsened dendritic grains and the heat-affected zone (HAZ) has fibrous micro-scaled subgrains. The FSW welded joint is characterized by a weld nugget zone, thermo-mechanically affected zone (TMAZ), and HAZ. Due to plastic deformation around the rotating pin and anti-recrystallized effectiveness of Al₃(Sc,Zr) particles, the weld nugget zone has a very fine subgrain structure. The TMAZ experiences some dissolution of aging precipitates. Coarsening of aging precipitates was observed in the HAZ. The better mechanical properties of the FSW joint are derived from a fine subgrain structure and homogeneous chemical compositions.     

2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚2219-T87铝合金进行了焊接.对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及断口形貌进行了分析.结果表明,焊核区为细小的等轴晶粒,晶粒尺寸远小于母材;热机影响区发生了弯曲变形;热影响区组织出现了明显粗化.前进边热机影响区和焊核区形成明显分界线,后退边相对模糊.搅拌摩擦焊对接头各区域沉淀相分布形态有重要影响.接头室温拉伸强度可以达到母材的70%以上.沿焊缝横截面的显微硬度的分布显示,硬度最低点位于后退侧热影响区区域,断裂位置位于后退侧热影响区处,接头的断裂形式为韧性断裂.