7075铝合金搅拌摩擦焊接接头组织和力学性能分析

利用搅拌摩擦焊方法对10 mm厚7075铝合金板材进行对接焊接试验,并对不同焊接工艺参数的接头进行微观组织观察和力学性能分析。结果表明:焊核区和热机影响区的晶粒,当焊接速度一定,旋转速度与晶粒尺寸呈正相关;焊核区的晶粒,当旋转速度一定时,焊接速度与晶粒呈负相关。焊接接头维氏显微硬度值呈现出不左右对称的"W"形,焊核区的硬度值比热机影响区和热影响区高;前进侧热影响区的硬度值比后退侧热影响区的硬度值小,且为整个焊接接头维氏硬度最低值,焊接接头在前进侧的热机影响区断裂,为韧性断裂;搅拌摩擦焊焊接接头前进侧存在"软化"现象;当旋转速度为900 r/min、焊接速度为90 mm/min时,试件的抗拉强度为454 MPa、延伸率为5.9%,力学性能最好。     

工艺参数对6mm厚5052铝合金板搅拌摩擦焊接头的影响

对6mm厚5052铝合金中厚板进行搅拌摩擦焊,分析了搅拌头转速和焊接速度对接头宏观形貌、拉伸性能和硬度的影响,并观察了拉伸断口形貌。结果表明:当搅拌头转速为800~1 600r·min-1及焊接速度为80~560mm·min-1时均可以获得无缺陷和力学性能良好的接头;搅拌头转速过低时,易出现"隧道"型缺陷;随搅拌头转速增大或焊接速度降低,焊核区面积逐渐减小,"洋葱环"间距逐渐增大;焊核区由细小的等轴晶粒组成,平均晶粒尺寸约为5μm,约为母材的1/10;焊接工艺参数对接头力学性能的影响不显著,在工艺范围内其接头强度均可达到母材的90%以上,显微硬度则达88%以上;断口源于接头背面的原始焊接界面,沿原始界面断裂,终于接头返回侧,呈典型的切断断口形貌。     

铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性

在焊后热处理过程中,搅拌摩擦焊接头焊核区细小的再结晶晶粒在高温下极不稳定,很容易发生晶粒异常长大降低接头性能。研究2024铝合金和7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性,结果发现：增大搅拌头转速、降低焊速有利于提高接头组织热稳定性,接头焊核区晶粒尺寸差异越小,第二相粒子尺寸越小,密度越大,接头组织热稳定性越好;降低固溶温度或缩短固溶时间可以降低晶粒异常长大程度,但接头力学性能将发生下降。对于3 mm厚2024铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=20 mm/min的焊接参数下,495℃-30 min固溶处理后接头无明显晶粒异常长大现象。对于1.5 mm厚7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=50 mm/min的焊接参数下,450℃-20 min固溶处理后接头晶粒异常长大基本得到控制,接头强度达到母材的90%。研究结果表明优化焊接工艺参数和焊后热处理工艺参数能获得较好的晶粒异常长大抑制效果,为铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能调控提供参考。     

焊接速度对镁/铝异种合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能的影响

在不同焊接速度(23.5,47.5,75.0mm·min~(-1))下采用搅拌摩擦焊技术对AZ31镁合金和6061铝合金进行对接焊,研究了焊接速度对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明:不同速度焊接后,接头焊核区存在条带状组织,焊核区晶粒发生细化;在前进侧焊核区/热机影响区界面处生成了少量金属间化合物Al_3Mg_2和Al_(12)Mg_(17);随着焊接速度的降低,各区域的晶粒尺寸有所增大,材料混合均匀程度有所增强;随着焊接速度的增大,后退侧不同区域的硬度均先降后增,前进侧的硬度整体呈增大趋势,接头的抗拉强度和屈服强度均有所下降;拉伸断裂均发生在接头前进侧焊核区/热机影响区界面处,断裂模式均为脆性断裂。     

6063-T6铝合金搅拌摩擦焊组织与力学性能研究

采用搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)对10mm的6063-T6铝合金分别进行单、双面焊接,并探究焊接速度对接头微观组织及力学性能变化的影响。结果表明,单双面焊接接头"S"线形貌基本保持一致且集中在前进侧轴肩影响区,单面焊有更明显的洋葱环形貌。焊核区中部区域等轴晶晶粒尺寸小于上部轴肩影响区,且单面焊焊核区晶粒尺寸大于双面焊。搅拌摩擦焊旋转速度为1 500r/min,焊接速度由300mm/min增至1 400mm/min时,接头力学性能先升高后降低,且双面焊接头力学性能始终优于单面焊。接头抗拉强度峰值为187MPa,断裂位置多位于后退侧热影响区,与接头最低硬度位置保持一致,主要断裂模式为韧性断裂。     

不同焊接速度下Z K60镁合金自持式搅拌摩擦焊接头的显微组织

在不同焊接速度(100～400mm·min~(-1))下对3mm厚ZK60镁合金进行自持式搅拌摩擦焊接,研究了接头的显微组织。结果表明:接头焊核区截面呈哑铃形,在1/4轴肩半径处的后退侧焊核区上表面存在流动图案,在前进侧热机影响区存在向焊核区生长的带状组织;在不同焊接速度下,前进侧热机影响区与焊核区之间存在明显的界面,热机影响区材料发生塑性变形,并发生部分动态再结晶;在不同焊接速度下,前进侧焊核区均发生了动态再结晶,当焊接速度为300,400mm·min~(-1)时,此焊核区由细小的等轴状再结晶晶粒组成,其定向流动形貌消失。     

焊前和焊后热处理对2195铝锂合金双面搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

采用双面搅拌摩擦焊方法对6 mm厚2195铝锂合金板进行焊接,对比研究了焊前与焊后热处理(410℃×1 h退火+510℃×1 h固溶+155℃×1 h人工时效)对接头显微组织及力学性能的影响.结果表明:焊前热处理的接头焊核区晶粒呈细小等轴状,平均晶粒尺寸约为9.2μm,而焊后热处理的焊核区晶粒发生了异常长大现象,平均晶...     

超声振动强化搅拌摩擦焊的热力行为及微观组织特征

为了利用超声振动降低搅拌摩擦焊过程中金属材料的屈服应力和流动应力,研发超声振动强化搅拌摩擦焊试验装置,开展6061-T6铝合金的焊接工艺试验。采用实时采集焊机电参数并将其转化成力矩和力的方法,测试超声振动作用下搅拌摩擦焊的焊接载荷,利用热电偶测试施加超声时的焊接热循环,通过体视显微镜和金相显微镜分别观测焊缝截面尺寸和接头微观组织,并与相同参数下常规搅拌摩擦焊的情况进行比对。研究结果表明,超声振动能够显著降低焊接轴向压力和搅拌头转矩,增大焊缝横截面尺寸,细化和均匀焊核区和热力影响区的晶粒组织。热循环的测量结果显示,超声振动的施加略微降低了测量点的焊接热循环峰值温度。分析认为,超声振动与搅拌头附近的塑性变形材料相互作用,降低了金属材料的屈服应力和流变应力,进而改变了原有的温度场,从而产生了优异的工艺效果。     

搅拌摩擦焊工艺参数对2198铝锂合金焊缝成形及接头力学性能的影响

对2198铝锂合金薄板进行了搅拌摩擦焊试验,分析了搅拌头旋转速度和焊接速度对焊缝成形及接头力学性能的影响。结果表明:旋转速度(n)与焊接速度(v)的比值大于15.7时,能形成表面成形良好,且内部致密无缺陷的焊缝;接头焊核区形成了细小的等轴晶,前进侧热力影响区大部分为等轴状晶粒,后退侧热力影响区的板条状组织发生了变形,其周围出现了细晶粒;焊接速度为30mm·min-1时,接头的抗拉强度随旋转速度的增大而变小,其最大值为432.17MPa,焊缝的硬度低于母材的,热力影响区的硬度最低,焊核区的硬度略高于热力影响区的。随着n/v的增大,热影响区的软化区间变宽。     

焊后热处理对Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响

对5 mm厚Cu-Cr-Zr合金板进行搅拌摩擦对接焊,在不同时效温度(400,450,500℃)下对接头进行热处理,研究了热处理对接头组织和力学性能的影响.结果表明:焊后热处理后,焊核区晶粒尺寸未发生明显变化,热机影响区弯曲变形的晶粒基本消失;焊后热处理后,在焊接过程中固溶至基体中的强化相重新析出,但500℃焊后热处理...     

5mm厚6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的组织与性能

采用双轴肩搅拌摩擦焊技术对5mm厚6082-T6铝合金板进行了对接焊,研究了接头的显微组织与力学性能。结果表明:在主轴转速为500r·min~(-1)、焊接速度为400mm·min~(-1)条件下焊接后,接头的组织致密,焊核区晶粒细小均匀,热机影响区的晶粒变得狭长,热影响区晶粒粗化;接头的抗拉强度和屈服强度分别为232.75,161.04 MPa,均略低于母材的(272,229 MPa),其弯曲性能合格;显微硬度呈W形分布,硬度最小值出现在前进侧热影响区,为67 HV,焊核区的硬度为77.6HV。     

焊后热处理对高氮奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

对高氮奥氏体不锈钢进行搅拌摩擦焊接。焊接过程中没有出现氮元素的损失及其他相的生成。对焊接接头进行焊后热处理,以得到具有不同组织差异性的搅拌摩擦焊接头。微观组织分析表明：在焊态的接头中,焊核区晶粒细化且含有大量的小角度晶界,母材区与焊核之间存在明显的组织差异;热处理态接头中,焊核区的晶粒尺寸略小于母材,各种特征晶界的比例分数都与母材基本相当,接头内组织差异性减小。力学性能分析表明：大的组织差异使焊接接头呈现出典型的高匹配特征,屈服强度、抗拉强度明显升高,伸长率有所降低。较小组织差异的接头匹配模式发生变化,进而导致力学性能发生明显改变,屈服强度、抗拉强度降低,伸长率恢复到母材水平。     

2198-T3S铝锂合金组合工艺搅拌摩擦焊接头组织性能分析

为探究搅拌摩擦焊（FSW）焊接铝锂合金板材的最佳工艺参数,采用圆柱形螺纹搅拌头,焊前对板材背面开槽,在保持焊接速度不变的情况下对2198-T3S铝锂合金板材进行不同转速下的焊接组合工艺实验,焊后对接头进行了微观组织分析与力学性能测试。研究结果表明：采用组合工艺后焊缝的根部未出现弱连接缺陷;随着转速的提高,焊缝内部的缺陷消失,焊核区的晶粒呈粗大化趋势,第二相回溶,使焊缝的力学性能呈现“先升后降”的趋势。在最优组合参数下接头的抗拉强度和屈服强度分别为359 MPa（母材的81.5%）和248 MPa（母材的77.5%）。同时,转速的提高使焊缝的断裂方式发生了改变,由脆性-韧性混合断裂向韧性断裂转变。     

铝/黄铜异种金属搅拌摩擦焊搭接接头显微组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对5052铝合金及H62黄铜异种金属进行搭接,搅拌头转速固定为1 000 r/min,焊速为100～300mm/min,对接头微观组织和力学性能进行研究。结果表明:搭接接头铝侧分为焊核区、热机影响区和热影响区。接头铝侧与搅拌头直接作用的区域,晶粒发生一定的细化。搭接界面处两板间分界明显,界面处有黄铜和铝的机械混合,且有金属间化合物产生。接头显微硬度分布表明铝侧焊核区显微硬度最高,硬度最低点在热影响区。界面处的硬度明显大于铝及黄铜母材。随着焊速的增大,接头拉剪载荷先增大后减小。接头拉伸时断于界面区,断口为解理断裂。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊残余应力数值模拟

采用顺序热力耦合的方法建模,通过正交试验,利用ABAQUS软件分析了铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊中焊接速度、搭接量、搅拌头转速对残余应力的影响,获得最优的工艺参数,通过试验验证模拟结果的准确性,并研究焊接速度、搭接量对残余应力的影响规律。结果表明：搅拌摩擦搭接焊的最优参数为焊接速度60 mm·min^-1、搭接量60 mm、搅拌头转速1 400 r·min^-1;在不同焊接工艺下,热循环曲线和残余应力的模拟结果与试验结果相吻合,相对误差分别小于7.5%和8.4%,验证了数值模拟结果的准确性;最大残余应力出现在焊缝末端的搭接面处,最优焊接工艺下的最大残余应力为137.7 MPa;与搅拌头转速相比,焊接速度与搭接量对残余应力的影响较大,随着焊接速度的增大,纵向残余压应力峰值升高,压应力作用范围变窄,而随着搭接量的增加,纵向残余压应力峰值降低,压应力作用范围变宽。     

搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响

与传统熔化焊相比,搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding, FSW)因温度梯度较小,可以减少焊接裂纹和残余变形,是一种极具前途的铝合金固相焊接方法。相同焊接工艺参数下,搅拌头是影响焊接热输入和材料流动的主要因素之一,决定焊缝的组织与性能。基于固体力学有限元法和A7N01铝合金材料本构方程,建立基于Deform软件搅拌摩擦焊刚黏塑性仿真模型,并通过焊接试验的测温曲线和试验缺陷完成了模型验证,对比分析了圆台、三平面、四平面搅拌头平面对搅拌摩擦焊稳态焊接阶段的温度场、峰值温度曲线和材料流动行为的影响。结果表明,多平面搅拌头的焊接热输入高于圆台搅拌头,在材料塑性流动范围、流动均匀性和有效焊缝等指标方面优于圆台搅拌头。搅拌头的平面特征在材料流动过程中能够起到明显的挤压作用,从而细化焊缝区的晶粒,提高焊接接头的力学性能。基于仿真和试验结果分析,揭示了焊接犁沟缺陷的成因,并提出了预防措施。     

热处理对AZ31B镁合金搅拌摩擦焊焊接接头显微组织和显微硬度的影响

对AZ31B镁合金进行搅拌摩擦焊接及焊后热处理,研究了热处理前后焊接接头显微组织及显微硬度的变化规律。结果表明:随着退火温度的升高,AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接接头前进侧和后退侧的分界线逐渐消失;在热处理过程中,由于焊核区所吸收的能量主要用于晶粒的长大,而热影响区和热机影响区结合区域在再结晶时消耗了较多的能量,导致了焊核区晶粒的长大速率大于热影响区和热机影响区结合区域的;当退火温度低于200℃时,热机影响区的显微硬度高于焊核区,并且前进侧热机影响区的显微硬度略高于后退侧的;当退火温度高于250℃后,热机影响区的显微硬度显著下降;随着退火温度的升高,热影响区的显微硬度略有下降。     

2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺及接头组织性能研究

通过对8mm厚2219铝合金进行双轴肩搅拌摩擦焊试验,研究了不同焊接速度对接头成形、组织演变及其对力学性能的影响规律。工艺试验结果表明:在固定转速(200r/min)下,不同焊接速度下的接头均成形良好,未出现微裂纹、隧道以及疏松等焊缝表面缺陷。随着焊接速度的增加,接头区域晶粒尺寸减小;接头显微硬度受到晶粒尺寸与沉淀相分布的制约,硬度分布曲线呈“W”形,热影响区硬度最低。并且随着焊接速度的增加,接头最低硬度和抗拉强度逐渐提高,断裂位置发生在热影响区与热影响区交界处。在焊接速度为350mm/min时,接头抗拉强度达到最大值335MPa,约为母材的72.8%。     

搅拌摩擦焊接中搅拌头疲劳应力计算方法

采用计算流体动力学模型(CFD)模拟AA6061-T6搅拌摩擦焊接过程。基于得到的流场压力分布,计算出搅拌头受力。搅拌头受力分为轴肩下表面摩擦阻力、搅拌针阻力和搅拌针底部摩擦力,通过与试验结果的比较验证了方法的有效性。进一步提出计算搅拌针根部疲劳应力的解析方法,并与有限元数值解对比验证了其正确性。结果表明,搅拌头受力和搅拌针疲劳应力随焊接转速增大而减小,随焊速的增加而增加。但较大的转速,导致较高的疲劳应力交变频率。