铝合金回填式搅拌摩擦点焊研究现状

回填式搅拌摩擦点焊作为一种新型的固相连接技术,在船舶、汽车、列车、航空航天制造等领域,有望成为替代电阻点焊、铆接等传统连接方式的新技术,受到国内外学者的关注研究。在大量文献分析的基础上,对铝合金回填式搅拌摩擦点焊的搅拌工具、接头组织和力学性能、异种材料焊接等方面的研究进行了总结。研究表明,接头的剪切性能和断裂模式主要与接头的焊核深度和钩状缺陷,连接带的尺寸分布有关;对于异种材料焊接接头,金属间化合物层的成分及其厚度是影响其力学性能的重要因素。     

2524同质铝合金回填式搅拌摩擦点焊耐蚀性研究

目的 研究2524铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头不同焊接区域的耐腐蚀性能。方法 采用晶间腐蚀实验结合电子扫描显微镜（SEM）及能谱仪（EDS）技术,分析了焊缝处不同区域的微观形貌、腐蚀形貌及腐蚀深度,并对腐蚀机理进行了讨论。结果 搅拌区内的晶粒最为细小,热影响区的晶粒尺寸最大。搅拌区主要为点蚀,最大腐蚀坑深度为2.45 μm;热影响区则发生剥落腐蚀,最大腐蚀深度为45.65 μm。结论 热影响区的耐蚀性最差,腐蚀程度最为严重。     

6061铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 研究回填式搅拌摩擦点焊的产热机理。方法 利用DEFORM-3D有限元软件对焊接过程进行了数值模拟,得到了不同位置的温度循环和不同时刻的温度场,并通过改变搅拌头转速,研究了不同转速下接头的温度循环和温度场。结果 在套筒达到最大下扎深度附近测试点温度最高,最高温度分布在套筒下方金属;在水平方向,离焊点中心越近,温度上升速率越快,峰值温度越高,在厚度方向,温度循环变化不大;随着搅拌头转速增加,测试点温度上升速率增大,峰值温度升高。结论 通过数值模拟方法可以获得回填式搅拌摩擦点焊接头的温度场和温度循环,为研究其产热机理提供理论指导。     

铝合金与镀锌钢板回填式搅拌摩擦点焊机制

目的 研究铝合金与镀锌钢板回填式搅拌摩擦点焊界面组织演变机制与焊接工艺参数对力学性能的影响规律。方法 采用连续焊接和改变焊接工艺参数的方法,分析了焊具自摩擦对焊接温度和接头力学性能的影响。采用电镜研究了铝合金与镀锌钢板连接界面的显微组织分布和焊接工艺参数对焊接温度及接头力学性能之间的内在关系。结果 焊具的自摩擦及重复性预热影响焊具温度和接头力学性能,其作用远大于焊接工艺参数的影响。镀锌层阻止了被焊材料的直接接触而避免了大量金属间化合物的形成,镀锌层和铝合金反应生成固溶体组织,从而提高了铝合金与钢的焊接性。此外,液态的锌被挤出搅拌区,形成钎焊的连接机制,增大了接头连接面积和强度。最佳焊接工艺参数为：旋转频率1800 r/min,套筒下压量1.0 mm,停留时间3 s。在此焊接规范下,接头最大接头剪切强度为6.23 kN,且76.2%的焊点力学性能满足工业使用标准。结论 回填式搅拌摩擦点焊是实现铝合金与镀锌钢板高质量连接的可靠方式。     

异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺的研究

目的 研究搅拌头转速和轴套下压量对异质铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织及力学性能的影响。方法 采用回填式搅拌摩擦点焊技术对7050铝合金和2524铝合金进行搭接焊试验,焊接完成后利用光镜、体式显微镜、扫描电镜对组织进行观察,另外,测试拉伸剪切载荷和显微硬度分布,最后对断裂行为进行了研究。结果 接头区域可以分为焊核区、热力影响区、热影响区、母材4个区域,焊核区晶粒呈细小等轴状,热力影响区晶粒呈粗大长条状。随搅拌头转速的增大,拉剪载荷降低,当转速为1500 r/min时拉剪载荷值最高,其值为7.499 44 kN。热影响区的显微硬度比母材低,最小值为HV106。接头的断裂方式可以分为剪切型断裂、塞型断裂、剪切-半环型断裂。结论 在一定工艺参数范围内,通过适当降低搅拌头转速能显著提高接头的拉剪载荷,轴套下压量对接头的断裂方式影响显著。     

6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的疲劳性能的有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS模拟了6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头在不同载荷作用下的应力场,进而分别运用名义应力法和局部应力-应变法计算得到当前载荷水平下的疲劳寿命。结果表明:在较大的载荷水平下,应力法分析结果与试样实际寿命接近,在较小的载荷水平下,局部应力-应变法分析结果与试样实际寿命接近;试样疲劳寿命随焊点间距的增加而减小。通过分析6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头疲劳断口形貌,发现疲劳裂纹起裂于焊点根部的热影响区和热力影响区,同时沿上板焊点边缘和下板母材处横向扩展。     

7050铝合金回填式搅拌摩擦点焊组织与性能研究

目的 研究2.5 mm厚的7050-T74511铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺参数,焊点组织与力学性能之间的关系。方法 通过显微组织观察和断口扫描,分析接头形貌特征和缺陷对断裂模式的影响。通过拉伸剪切测试,分析工艺参数与力学性能之间的关系。采用三因素三水平BBD响应面法进行工艺优化,建立拉剪失效载荷与工艺参数之间的二阶响应模型并求得最优工艺。结果 工艺优化的最佳参数为扎入深度2.7 mm,焊具转速为1500 r/min,焊接时间为8 s,在此参数下接头拉剪失效载荷为8.294 kN。当焊接工艺参数选择恰当时,可得到无缺陷接头。结论 焊接工艺窗口较窄;在高热输入条件下（扎入深度3.1 mm,转速2100 r/min）易产生孔洞、弱连接等缺陷,且这些缺陷主要分布在搅拌区与热力影响区界面上;在低热输入条件下（扎入深度2.7 mm,转速1500 r/min）,接头拉剪载荷较高,这与焊点在低热输入情况下组织缺陷较少有关。     

回填式搅拌摩擦点焊热输入对界面孔洞与力学性能的影响

目的 提高焊接热输入及接头力学性能,研究回填式搅拌摩擦点焊的最佳焊接工艺参数。方法 在传统搅拌摩擦点焊产热基础上,结合回填式搅拌摩擦点焊搅拌头具体运动形式,将产热功率对时间进行积分,得到热输入解析方程,测得不同热输入下接头孔洞大小与力学性能,获得热输入对界面孔洞大小与力学性能的影响规律。结果 在其他焊接参数不变的条件下,随着转速由2000 r/min提高至2300 r/min,焊接热输入由54 kJ增加至62 kJ,孔洞面积由9.3×104 μm2迅速减小至7.7×103 μm2,接头拉剪强度由3.2 kN提升至7.2 kN。当转速进一步提高至2600 r/min时,热输入达到70.2 kJ时,孔洞的缩减速率与拉剪强度提升速率减缓,孔洞大小减小至3.8×103 μm2,拉剪强度减小至8.4 kN。结论 在相同的焊接时间下,接头的热输入随着焊接转速的提升而增加,接头孔洞面积减小,拉剪性能提高。     

工艺参数对AA2524回填式搅拌摩擦点焊接头成形及力学性能的影响

目的 改善2 mm厚AA2524回填式搅拌摩擦点焊（RFSSW）接头的成形和力学性能。方法 采用不同扎入深度和不同转速进行焊接,焊后对接头的孔洞大小、套筒退出线上的裂纹长度和拉剪强度进行对比,获得扎入深度和转速对接头成形和拉剪强度的影响规律。结果 扎入深度为2.6 mm时,接头孔洞较小,断裂载荷较高。随着转速的增加,接头孔洞逐渐减小,套筒退出线的裂纹减少,拉剪强度逐渐升高。扎入深度2.6 mm,焊接时间6 s,转速为2600 r/min时,获得了无孔洞和无退出线裂纹的接头,断裂载荷最大,为9.4 kN。结论 合适的扎深和转速匹配,可以获得成形良好,高断裂载荷的接头。     

搅拌摩擦点焊技术及其研究现状

鉴于搅拌摩擦点焊受到国内外越来越多学者的关注研究,本文在大量文献分析的基础上对搅拌摩擦点焊进行了分类和总结.详细综述了搅拌摩擦点焊的工艺方法、接头组织和力学性能以及焊接过程数值模拟等方面的研究,归纳了该工艺在航空、航天和汽车领域的应用,最后,分析了搅拌摩擦点焊当前存在的主要问题.     

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。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头的蠕变时效行为研究

目的 研究2219铝合金搅拌摩擦焊接头的蠕变变形行为、力学性能及其微观组织演变规律,探明焊接态铝合金材料的蠕变变形与强化机制,为超大型高筋薄壁构件板坯搅拌摩擦拼焊+蠕变时效形性一体化制造提供理论与技术支撑。方法 通过蠕变时效实验和室温性能测试,研究了有焊缝和无焊缝材料的蠕变时效行为与力学性能演变,结合应力指数、激活能计算和透射电镜表征,分析了焊缝对2219铝合金蠕变时效特性的影响。结果 与母材相比,有焊缝铝合金整体蠕变量更低,但前期短时蠕变速率高而后期长时变形速率低,变形机制由母材的扩散蠕变转为位错攀移;有焊缝材料蠕变时效后抗拉强度增加量相对更少,屈服强度增加量基本相同,表现为加工硬化能力降低。同时,焊核区晶粒细小、晶内析出大量弥散的GPⅡ区、θʹʹ和θʹ相,且晶界附近出现无沉淀析出带,热影响区和热机影响区析出相长大,但热机影响区析出相开始出现粗化。结论 在蠕变时效过程中,搅拌摩擦焊后的2219铝合金复杂的微观组织演变会提高材料的蠕变变形和强度提升敏感性,上述发现为优化搅拌摩擦焊与蠕变时效成形工艺参数匹配提供了基础。     

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。     

钛铝异质材料插销增强搅拌摩擦点焊接头组织与力学性能

目的开发一种无针搅拌头,以解决传统搅拌摩擦焊产生的匙孔和Hook缺陷问题。方法钛板预制通孔,铝板预制盲孔,插销置于孔中,进行搅拌摩擦点焊。采用无针搅拌头对厚度为2mm的TC1钛合金板和厚度为4 mm的2A12铝合金板(钛上铝下)进行了异种金属搭接搅拌摩擦点焊试验,试验采用旋转速度为950 r/min,焊接时间为100 s,下压量为0.2 mm的工艺参数,对焊接接头的抗拉剪力及接头组织进行评估。结果添加插销获得的焊接接头,钛、铝板与销之间实现固相连接,有效解决了有针搅拌摩擦焊产生的匙孔和Hook缺陷问题,且接头的抗拉剪力达到了6.42 kN。结论提出的插销增强搅拌摩擦点焊的新方法,采用的搅拌头具有较低的制造成本,工艺简单,提高了焊接效率,同时确保了焊接接头的质量。     

2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 分析焊接接头温度场、应力场的分布情况,并着重讨论焊接转速对接头孔洞分布规律的影 响。方法 基于 ABAQUS 有限元分析软件,对 2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程进行了模拟,分 析了焊接过程中材料内部温度场、应力场及焊点底部孔洞的变化情况,并在此基础上采用小孔法对焊点 周围残余应力进行了测量,与模拟结果进行了对比分析。结果 焊接转速由 2200 r/min 提高至 3000 r/min, 焊接过程达稳定摩擦时焊接温度由 489 ℃增至 518 ℃。焊接结束时焊件表面残余应力数值均在 100~200 MPa,与实际小孔法测得数值吻合良好。结论 焊接转速的提高导致焊接过程中各阶段峰值温度提高, 在焊件横截面还可观察到沿厚度方向存在较大的温度梯度。接头孔洞数量随焊接转速先下降后上升,在 焊接转速为 2800 r/min 时,孔洞数量达最少。另外,焊件表面残余应力呈四周对称分布,并在压紧环外 径处出现最大值。