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。     

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。     

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。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形及失效行为

使用搅拌摩擦焊（FSW）设备对厚度为6mm的7075高强度铝合金平板进行对接试验。设计出双径试样,采用液压伺服试验机对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行拉伸试验,并借助奥林巴斯显微镜和扫描电镜观察接头的变形及失效过程。结果表明,7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中出现双颈缩现象,颈缩首先在后退侧出现,随着加载的进行,前进侧也出现颈缩现象。微裂纹在接头中的前进侧和后退侧颈缩区内晶界处由微孔洞聚集产生。随着应变的增加,微孔洞数量明显增加,当应变足够大时,微孔洞连接形成微裂纹。微裂纹沿着与加载方向成45°向焊核区进行扩展,导致接头断裂,断裂位置位于接头中的焊核区,断裂方式为剪切断裂混合着微孔聚集型断裂。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头沉淀相析出行为

利用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技术对厚度为6 mm的7075铝合金进行平板对焊,使用金相显微镜、显微维氏硬度仪对7075铝合金FSW接头进行微观组织观察和显微维氏硬度测试,使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对合金进行物相分析,使用透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)对接头焊核区(welding nugget zone,WNZ)、热机影响区(thermal-mechanically affected zone,TMAZ)、热影响区(heat affected zone,HAZ)及母材(base metal,BM)中的沉淀相分布、形貌等进行观察,并对沉淀相的晶格条纹间距进行计算。研究结果表明,7075铝合金FSW接头的组织及显微维氏硬度分布极其不均匀;接头中沉淀相主要有棒状MgZn_2和椭圆状AlCuMg两种,沉淀相种类与形状不同,强化效果不同,AlCuMg强化效果好于MgZn_2;WNZ中沉淀相主要是AlCuMg,加之细晶强化,显微维氏硬度较高;相比WNZ,TMAZ中沉淀相AlCuMg数量少,MgZn_2相对增多,强化效果相对减弱,导致显微维氏硬度降低;HAZ中的MgZn_2相对更多,加工硬化和细晶强化效果减弱,HAZ与TMAZ交界处显微维氏硬度达到接头的最低值。     

轨道交通用铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能

通过金相组织观察、断口扫描分析、拉伸试验和显微硬度测试等分别研究了6082-T6和5083铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头的微观组织和力学性能.结果表明,接头断面组织可分为焊核区(WN)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)、母材区(BM)四个区域.焊核区为动态再结晶的细小等轴晶组织;热机影响区为回复晶粒组织,晶粒产生了较大的弯曲变形;在热影响区发生了晶粒粗化现象,晶粒形态与母材相似.两种铝合金搅拌摩擦焊接头的拉伸断口均呈韧性断裂特征,接头断裂位置为热影响区的前进侧,表明热影响区为接头最薄弱的区域.力学性能测试表明,6082和5083铝合金接头的抗拉强度分别为242 MPa和301.6 MPa,分别达到母材本身抗拉强度的76.8％和88.7％;两种接头的显微硬度分布曲线均存在一个最低值,该最低值位于前进侧的热影响区.     

2219-T8铝合金搅拌摩擦焊接头力学和应力腐蚀性能薄弱区研究

对2219-T8铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头在拉伸过程中,热机械影响区(TMAZ)的变形行为、断裂途径和190 MPa下微区电化学性能进行了研究.结果表明,焊接热循环和搅拌作用加权强化效果最弱的区域是强度最差的位置;拉伸时接头变形主要发生在TMAZ,但由于受到焊核区的拘束程度不同,TMAZ下层应变更大,导致裂纹起源于下层;在相同的应力水平下,TMAZ表面的钝化膜更易破裂,甚至会有微裂纹出现,这使得当接头处于应力腐蚀环境中时,TMAZ更易发生局部腐蚀,导致接头的抗应力腐蚀能力下降.     

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。     

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。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中的裂纹扩展行为

对厚度为6 mm的7075铝合金进行搅拌摩擦焊(FSW)平板对接试验,利用MTS微控电子万能试验机对接头进行不同应变率下平板拉伸试验。分别使用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对接头断裂路径两侧的微观组织和断口形貌进行观察。在此基础上,使用透射电镜(TEM)对接头起裂源处的沉淀相形貌进行观察,研究应变率对接头断裂行为的影响。研究结果表明,随着应变率的增加,接头屈服强度与屈强比略有增大,不同应变率下的微裂纹均形核于接头底部母材(BM)与热影响区(HAZ)交界处。相比于椭圆状Al Cu Mg沉淀相和胶囊状Al_2Cu Mg沉淀相,接头中棒状MgZn_2沉淀相对微裂纹形核起关键作用。应变率较低时,裂纹在扩展过程中发生偏转;随着应变率的增加,接头裂纹走向平直,接头塑性降低,与加载方向的裂纹扩展角减小,断裂方式由以韧窝聚合型断裂为主转变为以剪切断裂为主。     

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。     

B_4C/6061Al中子吸收材料FSW接头的纳米压痕和拉伸性能研究

采用粉末冶金的方法制备了30vol%B_4C/6061Al中子吸收材料板材。通过搅拌摩擦焊(FSW)的方法对4 mm厚30vo1%B_4C/6061A1中子吸收材料板材进行对接焊接,获得了表面成形良好的焊缝。采用纳米压痕法对FSW焊接接头的焊核(WZ)、热力影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材(BM)4个区域中的微区力学性能进行研究,对焊接接头的拉伸性能进行了测试。运用扫描电镜对压痕的微观形貌和拉伸断口进行表征。结果表明:在同一区域中,随着距颗粒/基体界面距离d(d11μm)的增加,微区的硬度和弹性模量总体呈现降低趋势。在微区数值均值化后,不同区域的硬度和弹性模量由高到低为WZ、TMAZ、BM和HAZ,压入功恢复率在WZ、TMAZ、HAZ和BM依次为28.10%、25.14%、31.76%和29.30%。在焊接接头不同区域出现性能差别的原因是由于在FSW过程中不同区域的塑性变形程度和热循环作用不同导致的,FSW接头强度可达母材的85.7%,断裂部位在HAZ区。     

高速列车铝合金车体枕梁搅拌摩擦焊接头残余应力分布特征

采用超声波法对铝合金枕梁部件搅拌摩擦焊(FSW)接头和熔化极气保护焊(MIG)接头分别进行了残余应力测量。结果表明,FSW固相焊接头的纵向应力和横向应力均为拉伸残余应力,其中纵向应力水平远高于横向应力。纵向应力在FSW焊缝两侧呈不对称分布特征,在搅拌头的前进侧应力值较高,而在返回侧应力值较低,最高应力位于前进侧的轴肩作用边缘处。MIG熔化焊接头在焊缝及近缝区的纵向应力和横向应力也为拉伸残余应力,且在MIG焊缝两侧呈对称分布特征,其中纵向应力高于横向应力,最高应力位于焊缝及热影响区。     

2A14T6铝合金FSW及VP-TIG焊接对比分析

采用FSW及VP-TIG两种方法对5mm厚2A14 T6铝合金进行焊接,并对比分析焊缝。试验结果表明,两种焊接方法均可获得满足相应标准I级要求的焊缝,VP-TIG接头内部存在微小孔洞,且晶粒较为粗大,FSW接头组织致密,晶粒细小,后退侧热影响区晶粒尺寸明显大于前进侧热影响区晶粒尺寸。VPTIG接头硬度最低值为92.8 HV0.2/20,位于焊缝中心,FSW接头硬度最低值为104.2 HV0.2/20,位于后退侧热机影响区与热影响区交界处。VP-TIG接头强度系数0.63,延伸率4.7%,断裂发生在热影响区,FSW接头强度系数0.8,延伸率5%,断裂发生在后退侧热机影响区及热影响区交界处,两者均为韧性断裂。     

航空铝合金搅拌摩擦焊疲劳裂纹扩展速率试验研究

通过高频疲劳实验,对航空铝合金LC4CS和7075-T6搅拌摩擦焊预制裂纹穿焊缝中心、预制裂纹穿焊缝前进边、预制裂纹穿焊缝后退边、预制裂纹垂直于焊缝四种形式的焊接接头疲劳性能进行了研究,LC4CS铝合金FSW接头抗疲劳裂纹扩展能力不如7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接接头,但是相差不大.IIW疲劳试验设计标准对于FSW接头是比较保守的.该实验为建立合理的搅拌摩擦焊接接头的疲劳评定规范提供重要依据,从而推动了搅拌摩擦焊接技术在航天领域的广泛应用.     

7075铝合金不同冷却介质条件下搅拌摩擦焊接头的组织与性能

针对3 mm厚的7075铝合金板材,采用相同的焊接参数分别在空气和水中进行搅拌摩擦焊接(FSW),研究不同冷却介质对接头的热循环曲线、宏观形貌、微观组织、硬度以及力学性能的影响。结果表明,水下焊接的热循环曲线更趋于平缓,高温停留时间短,焊缝表面成形更好,焊核区(NZ)和热影响区(HAZ)显微组织的晶粒更细小,接头热影响区更窄,并且接头的塑性流形更清晰,而空气中焊接的接头热影响区软化严重,硬度仅为113 HV。水下FSW接头断裂形式为脆性断裂,而空气中FSW接头断裂形式为韧性断裂。     

42 mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊工艺研究

针对板厚为42 mm的6082-T6铝合金型材进行了双面搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)。焊后对接头进行了渗透(PT)、射线(RT)和超声波(UT)检测,并应用光学显微镜、显微硬度仪、电子万能拉伸试验机分别进行了金相分析、显微硬度分析、拉伸和弯曲力学性能测试。结果表明:在转速为600 r/min,焊速为120 mm/min的焊接工艺参数下,获得了表面成形美观、无缺陷的双面FSW接头,接头的抗拉强度达239 MPa,为母材的67.3%,接头拉伸断裂发生于前进侧热力影响区与热影响区的结合处,拉伸断裂方式为韧性断裂,接头弯曲到180°不发生断裂。     

7075铝合金不同冷却介质条件下搅拌摩擦焊接头的组织与性能

针对3 mm厚7075铝合金板材,采用相同的焊接参数分别在空气和水中进行搅拌摩擦焊接,研究不同冷却介质对接头的热循环曲线、宏观形貌、微观组织、硬度以及力学性能的影响。结果表明,水下焊接的热循环曲线更趋于平缓,高温停留时间短。水下焊接的焊缝表面成形更好,焊核区(NZ)和热影响区(HAZ)显微组织的晶粒更为细小,接头热影响区更窄,并且接头的塑性流线更清晰,而空气中焊接的接头热影响区软化严重,硬度仅为113 HV。水下FSW接头断裂形式为脆性断裂,而空气中FSW接头断裂形式为韧性断裂。     

5052与6061异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和力学性能

采用搅拌摩擦焊(FSW)方法对6 mm厚的5052和6061异种铝合金进行了焊接,采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)分析母材和焊接接头的显微组织和断口形貌,利用XRD分析了搅拌区域的物相组成,并测试了室温拉伸性能和显微硬度。结果表明,5052合金置于前进侧时更有利于材料在焊核区域的相互混合,焊接接头的最低硬度在5052合金一侧热影响区(HAZ),并在这个区域发生了断裂,断裂特征为韧性断裂。焊接接头的最大抗拉强度为225 MPa,伸长率为5.77%。     

热影响区几何尺寸对铝合金焊接接头变形及强度影响规律

用有限元软件ABAQUS对平板对接铝合金焊接接头进行拉伸模拟,研究了HAZ几何尺寸对焊接接头变形及强度影响规律.结果表明,随着HAZ长度的增加,铝合金焊接接头的屈服强度和抗拉强度均逐渐降低,应力三轴度在母材与HAZ交界处和焊缝与HAZ交界处存在突变,应力三轴度最大值的位置从母材与HAZ交界处转变为焊缝与HAZ的交界处;随着接头厚度的增加,屈服强度和抗拉强度基本上是逐渐增大的,接头中的应力三轴度取决于试样的厚度、焊缝区尺寸及HAZ尺寸;随着接头宽度及标距长度的增加,屈服强度、抗拉强度和焊缝及HAZ范围内的应力三轴度基本上是逐渐增大的.当试样标距长度增加到某一值时,这三个参数将不再发生变化,为一恒值.