半螺纹搅拌针对2024铝合金搅拌摩擦搭接焊力学性能影响

作为影响搅拌摩擦焊（FSW）过程中塑性材料上下流动的重要因素,搅拌针螺纹形貌同样对搅拌摩擦搭接焊（FSLW）的材料流动和力学性能有着重要影响.为研究半螺纹搅拌针对FSLW接头显微组织和力学性能的影响,文中将全螺纹搅拌针和半螺纹搅拌针用于包铝2024铝合金FSLW试验,并对不同搅拌针作用下的FSLW接头的横截面形貌、剪切拉伸载荷、断裂位置等方面进行分析对比.结果表明,半螺纹搅拌针会使钩状缺陷向下弯曲,从而使FSLW接头具有较大的有效板材厚度以及搭接宽度.断裂模式同为剪切断裂,但半螺纹搅拌针作用下的FSLW接头拥有更大的拉断载荷.     

阶梯形正反螺纹搅拌针对2A12-T4铝合金 FSLW接头力学性能的影响

搅拌针上螺纹分布情况会对搅拌摩擦焊接头内部材料流动行为产生重要影响,进而影响接头成形及力学性能. 采用锥形螺纹搅拌针和阶梯形正反螺纹搅拌针进行2A12-T4铝合金搅拌摩擦搭接焊试验,对比分析了两种搅拌针下搅拌摩擦搭接焊接头横截面形貌、显微组织、拉剪性能及接头断裂位置. 结果表明,两种搅拌针下接头横截面形貌均呈现“碗状”. 然而,在阶梯形正反螺纹搅拌针焊接下搭接界面后退侧出现特有的“括号”形貌. 相对于锥形螺纹搅拌针,阶梯形正反螺纹搅拌针下的接头热力影响区与热影响区晶粒分布相差不大,但焊核区晶粒细化程度更加明显;接头在焊接速度80 mm/min下可获得最大拉剪性能,其值为10.39 kN. 阶梯形正反螺纹搅拌针下接头界面后退侧出现的“括号”形貌阻碍了裂纹向焊核区进一步扩展,断裂模式表现为拉伸断裂.     

针长对异种铝合金FSLW接头成形及力学性能影响

在2024/7075异种铝合金搅拌摩擦焊的搭接试验中,重点对比分析3 mm与4 mm两种针长下搭接接头横截面形貌及断裂载荷的差异.结果表明,搅拌头转速的增加会加剧上板与下板材料间的混合程度,小的搅拌针扎入量更易获得大的有效板厚与有效搭接宽度.当转速在800~1 200 r/min变化时,使用3 mm针长搅拌头所得搭接接头EST值随着转速先减小后增加,4 mm针长所得EST值则随着转速的增加而逐渐增加;3 mm针长与4 mm针长分别在800 r/min与1 200 r/min下获得了搅拌摩擦焊搭接接头的最大断裂载荷值,其值分别是10.3 k N与10.7 k N;搭接接头主要呈现拉伸断裂.     

根部螺纹搅拌针对搭接接头钩状缺陷和性能的影响

选用3 mm厚的7075–T6铝合金为研究对象,研究了根部带有螺纹的搅拌针对搅拌摩擦焊搭接接头钩状缺陷及拉剪载荷的影响. 结果表明,搅拌针上的螺纹可明显改变焊接过程中的材料流动;塑性材料在搭接面上部集中,挤压搭接界面,焊后搭接接头的钩状缺陷向下弯曲;搭接面处焊核区的宽度较搅拌针的直径明显增大. 因搅拌针端部无螺纹,焊接速度较大时接头底部会由于材料无法及时填充而产生孔洞缺陷. 随着搅拌头焊接速度的升高,搭接接头的拉剪载荷先上升后下降,最高载荷在焊接速度为40 mm/min时取得,为23.333 kN.     

铜/钢异种金属搅拌摩擦焊搭接工艺

采用SKD61模具钢搅拌头对2 mm厚铜/钢异种金属进行搅拌摩擦焊搭接,分析了搭接接头微观组织和力学性能. 结果表明,当搅拌针与钢母材直接接触时,随焊接过程的进行搅拌针不断磨损甚至发生断裂. 焊核区前进侧出现流线区域,在搭接界面结合处形成机械冶金结合. 显微硬度测试显示,铜侧焊核区硬度最高,在搭接界面处硬度分布呈中间高两边低的趋势,接头厚度方向搭接界面处硬度最高. 形成良好结合的搭接接头在拉剪试验中断裂于铜侧热影响区,拉伸断口存在大量韧窝,呈典型韧性断裂模式.     

不扎透上板对2024-T4铝合金搅拌摩擦搭接焊力学性能的影响

钩状缺陷是影响搅拌摩擦搭接焊接头性能的重要因素. 为了尽可能的避免钩状缺陷的产生,利用不扎透上板的方式对2024-T4铝合金进行焊接,重点分析不同转速下的接头横截面形貌及力学性能. 结果表明,利用不扎透上板的方式所得搭接界面保持连续且主要呈水平方向分布. 由于搅拌针长度较小,焊核区底部的宽度远大于搅拌针尖端直径,使有效连接宽度增加,导致搭接接头在承受拉剪载荷时呈拉伸断裂模式. 与转速为500 r/min相比,600 r/min下接头的有效连接宽度与剪切拉伸强度均有小幅度地增加,最大剪切拉伸强度为143 MPa.     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.     

铝合金超薄板无倾角微搅拌摩擦焊接头组织性能

以0.5 mm厚LF3薄壁铝合金微搅拌摩擦焊搭接过程为研究对象,采用超小轴肩搅拌工具,研究了其无倾角微搅拌摩擦焊接过程,重点分析了微观组织分布特点和接头力学性能.采用内聚花纹锥形超小轴肩搅拌工具,依靠轴肩及搅拌针花纹的材料内聚效果,降低了焊缝宽度,焊缝宽度仅为3 mm,为微小薄壁壳体的焊接封装问题提供了可行的解决方案.搅拌工具的超高旋转频率运动,将搭接界面进行了充分的搅拌、混合和破碎,优于传统搅拌摩擦焊的Hook搭接界面.微搅拌摩擦焊搭接接头承载能力平均达到母材承载能力的89.6%.     

搅拌摩擦焊过程搅拌针切面轮廓分析

基于搅拌摩擦焊接过程"切面分析法",建立了搅拌针切面轮廓特征点运动行为数学表达式,并在数学分析的基础上提出了"界面畸变"、"冷搭接"、"洋葱环结构"等搅拌摩擦焊接头特征的产生机制.基于上述研究结果,提出了一种搅拌针形貌优化思路,从改善塑性金属迁移行为的角度,通过三切面设计,有效消除了大厚度铝合金搅拌摩擦焊对接接头中的"S"线,以及筋板搭接接头中的"冷搭接"缺陷,研究工作为搅拌摩擦焊产品的研制提供了技术支持.     

搅拌头停留时间对2524铝合金FSSW焊接头组织与性能的影响

对2524铝合金薄板进行直插式搭接FSSW(搅拌摩擦点焊)试验,探究搅拌头停留时间对接头的成型、组织状态与力学性能的影响。结果表明:随着搅拌头停留时间增加,焊核区宽度显著增大;接头显微硬度从焊核区到母材区逐渐降低;焊核区硬度随停留时间增加逐渐减小。在剪切拉伸试验中,接头最大剪切载荷随停留时间的增加先增大后减小,在16 s时达到最大值4246N。接头存在三种断裂模式:在4 s时平行于搭接面断裂;在8 s～12 s时剪切断裂;在16 s～20 s时剪切断裂并撕裂焊点上表面。接头断口存在大量韧窝,韧窝底部有细小弥散分布的第二相粒子,部分区域存在解理面,接头为韧-脆混合型断裂。     

搅拌针形状对搭接焊缝界面迁移的影响

采用搅拌针长度相同而形状不同的搅拌头对3mm厚的LY12CZ铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验。结果表明,表面带有螺纹的搅拌针使板材间的搭接界面在厚度方向上发生迁移,左螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向下迁移,在搅拌针端部积聚,挤压周边金属向上运动,导致搭接界面向上迁移;右螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向上迁移,在搅拌针根部积聚并受轴肩作用,挤压周边金属向下运动,导致搭接界面向下迁移。若搅拌针表面是光滑的,搭接界面在厚度方向上的迁移减小,但返回边界面向焊缝中心延伸的程度增大。     

钛/铝异种金属搅拌摩擦焊搭接接头的组织结构

采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行了搭接连接,研究了接头的微观组织结构.结果表明,当搅拌头旋转频率为1 500 r/min、焊接速度为60mm/min时,能获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头,搭接处铝合金和钛合金充分混合,形成焊核区.焊核两侧进入铝合金中的钛合金在搅拌针的挤压下发生了弯曲...     

Effect of pin rotating speed on lap shear strength of stationary shoulder friction stir lap welded 6005A-T6 aluminum alloy

Stationary shoulder friction stir lap welding (SSFSLW) was successfully used to weld 6005A-T6 aluminum alloy in this paper.Effect of pin rotating speed on cross section morphologies and lap shear strength of the SSFSLW joints were mainly discussed.Results show that joints without flash and shoulder marks can be obtained by the stationary shoulder.Cross section of the SSFSLW joint presents a basin-like morphology and little material loss.By increasing the rotating speed from 1 000 rpm to 1 600 rpm,both effective sheet thickness and lap width increase,while lap shear failure load firstly decreases and then increases.The maximum failure load of 14.05 kN is attained when 1 000 rpm is used.All SSFSLW joints present shear fracture mode.     

Process and joint quality of ultrasonic vibration enhanced friction stir lap welding

In order to improve the process effectiveness and joint quality, ultrasonic vibrations were integrated with friction stir lap welding. Effect of ultrasonic exertion on the process and joint quality of AA 6061-T6 were investigated. Upon ultrasonic exertion, joints owned larger effective lap width, shorter hooks and improved strength. Weld fracture mode changed from a ductile–brittle mixed mode to a more ductile mode while the fracture path shifted from lap interface to beyond the stir zone. Material flow and interface defects were characterised using lap welded dissimilar aluminium alloy joints. Ultrasonic vibration improved the material flow and reduced the interfacial defects. Variations in failure load of joints were found in accordance with the variations in material flow and interfacial defects.     

Cu/Ti异种金属搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能

文中采用搅拌摩擦焊法搭接T2工业紫铜和TA2纯钛,研究了搭接接头的宏观形貌和微观组织结构,并测试了接头力学性能.结果表明,当选用搅拌头旋转频率为800 r/min,焊接速度为40 mm/min的工艺参数配比时,可以获得焊缝表面成形良好,连接界面无缺陷的搭接接头.在焊核区,钛和铜以相间的条带结构形式相互混合、紧密连接在一起,形成了涡流状的钛铜双相金属混合区域,而且某些区域呈现出"机械互锁"的组织形貌.钛铜搭接接头抗剪切力可达到铜母材失效载荷的95%,断裂位置位于搭接接头铜板前进侧,为典型的韧性断裂.     

异种材料的搅拌摩擦焊技术

进行了铝合金与工业纯铜、铝合金与低碳钢的搅拌摩擦焊接实验.实际焊接了对接接头、丁字接头、搭接接头,观察了焊接接头组织,测量了接头性能.结果表明,用搅拌摩擦焊方法代替熔化焊方法焊接异种材料,可以获得组织致密、无缺陷的接头,接头强度较高,且工艺适应性、结构适应性较好,焊接工艺参数、各组元在焊缝金属中的比例等对形成良好的焊缝有重要的影响.     

铝合金薄板搅拌摩擦焊搭接界面缺陷与接头性能

针对2A12–T4铝合金薄板进行了搅拌摩擦焊搭接试验,研究了焊接参数对缺陷形态与接头性能的影响规律. 结果表明,勾状缺陷具有更大的高度和弯曲角度,最大缺陷高度为上板厚度的12.7%. 随焊接速度增大,缺陷高度减小.随转速提高,勾状缺陷高度先增加后减小,冷搭接缺陷高度呈“V”形变化. 在950 r/min,200 mm/min下接头强度最高,接头系数可达84%. 维氏显微硬度分布呈“W”形,上板出现接头软化,焊核区下部硬度高于上部硬度. 冷搭接缺陷是影响接头性能的主要因素,由于有效搭接宽度较小,接头断裂方式为沿搭接面的剪切断裂.     

Filling exit holes of friction stir welding lap joints using consumable pin tools

Abstract

In this study, filling friction stir welding was used to remove the exit hole of friction stir welding lap joints made from AA5456 sheets. For this purpose, the exit holes were filled by consumable pins with various geometries and different pin applying methods. Then, the structures and mechanical properties of the resulting joints were investigated. Results showed that the strength of 7% higher than the strength of the joint with the non-filled exit hole, ～91% of the corresponding defect free joints, is obtainable with this technique. The best results were found by a pin with 11° cone angle, 8?mm diameter and 7?mm length, and with a 6?mm plunge without rotation.     

搅拌摩擦焊搭接接头的研究现状与展望

搅拌摩擦焊由于其固相连接的特点,在进行铝合金的搭接焊接时,原始搭接界面会随着金属流动而形成迁移界面,从而对焊缝性能造成影响。在此通过对现有文献中搅拌摩擦焊搭接接头的研究内容进行分析,对搅拌摩擦焊搭接接头性能的影响因素及其影响原因进行了综述,并在此基础上展望了搅拌摩擦焊搭接焊的研究方向。