带状组织对铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头力学性能的影响

采用搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为4 mm的6061铝合金与AZ31B镁合金进行不同工艺的平板对接试验. 采用光学显微镜(OM)、扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)及能谱仪(EDS)对接头进行微观组织观察,采用电子万能试验机对接头力学性能进行测试. 结果表明,在接头焊核区(WNZ)中存在着明显的带状组织,带状组织是由插入镁基体中的铝合金条以及弥散分布在条带上的金属间化合物(IMCs)组成;IMCs主要为Al₁₂Mg₁₇和Al₃Mg₂;铝/镁异种金属FSW接头裂纹形核和扩展均发生在带状组织内;焊接工艺影响带状组织形态和IMCs尺寸及数量;随着转速(n)的增加或焊接速度(v)的降低,带状组织呈弯曲状,长度相对较短且呈不连续分布;当转速(n)过高或焊接速度(v)过低时,带状组织变细,但IMCs数量增多且尺寸变大;铝/镁异种金属FSW接头强度主要取决于带状组织形态和IMCs尺寸及数量.     

中间层材料对Ti/Al异种金属搅拌摩擦焊组织性能影响

以3mm厚2A14铝合金和TC4钛合金为试验材料,分别添加0.05mmZn和Ni箔片,研究了不同工艺参数下Zn和Ni对接头微观组织、力学性能的影响。试验结果表明：当添加中间层Zn时,在旋转速度为375r/min、焊接速度为75mm/min时,接头抗拉强度达到最大值237.3MPa,为铝合金母材拉伸强度的56.7%。同样参数下,添加中间层Ni后,能显著减少接头中脆性相TiAl₃,接头抗拉强度最大值提高到285.3MPa,达到铝合金母材抗拉强度的68％,接头断裂方式呈脆性+韧性混合型断裂。     

搅拌头偏移对Ti/Al异种金属搅拌摩擦焊接头成形及拉伸强度的影响

采用搅拌摩擦焊(FSW)完成了3 mm厚TC4钛合金和2A14-T14铝合金的连接,研究了搅拌头偏移对接头的成形及拉伸性能的影响。结果表明在搅拌头向铝合金侧的偏移对接头的最大抗拉强度有显著的影响。接头最大抗拉强度随搅拌头的偏移量的增加逐渐升高。在偏移量为2.0 mm、搅拌头转速从400 r/min增加到700 r/min时,接头的最大抗拉强度逐渐降低。在偏移量为2.5 mm、接头的最大抗拉强度随转速的增加逐渐升高。当在搅拌头转速为700 r/min, 焊接速度为60 mm/min时,所得接头强度最高,约347 MPa,为铝合金母材的83 %。接头的断裂位置和拉伸强度均取决于微观组织和金属间化合物。对于强度最高的接头,由于TiAl相的生成,接头于铝合金侧热影响区发生断裂。     

激光焊接镁/铝异种金属的显微组织与性能

对1.8 mm厚AZ91镁合金和1.2 mm厚6016铝合金平板试件进行激光搭接焊试验,利用体视显微镜、卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪、电子显微硬度仪、微机控制电子万能试验机等手段研究镁/铝焊缝的表面成形性、接头区域的金相组织、界面元素分布、断口形貌、主要物相、显微硬度与接头力学性能。结果表明:激光功率1900 W,焊接速度50 mm/s,离焦量f为0,Ar气保护气体流量为15 L/min时,焊缝表面成形性良好,热影响区窄,晶粒细化;焊接接头平均抗拉强度和抗剪强度分别为13.99和12.79 MPa,镁侧和铝侧焊缝硬度均高于母材;剪切断口较平坦、光滑,出现相互平行的疲劳条纹;拉伸断口存在较多高度不一致的解理台阶,呈脆性断裂特征;镁/铝焊缝界面存在Mg17Al12、Mg2Al3主要物相,其中Mg17Al12脆性相高温下比Mg2Al3延性相结构稳定,是镁/铝焊接接头呈现脆性特征和较难实现焊接的主要原因。     

转速对铝/镁搅拌摩擦焊接头金属间化合物及低熔点共晶的影响

研究了转速对铝/镁搅拌摩擦焊接头金属间化合物和低熔点共晶的影响,并用电子背散射衍射表征了铝侧和镁侧界面微观结构。结果表明,当采用375 r/min的低转速时,镁侧界面上部出现由Mg固溶体和Al₁₂Mg₁₇相组成的共晶层,平均厚度为38.83 μm。在镁侧界面上部还发现一层厚度为12.3 μm的连续柱状Al₃Mg₂层,垂直于Al₃Mg₂层与共晶层的边界。在镁侧界面的中部和底部,只有Al₃Mg₂层和Al₁₂Mg₁₇层,其厚度沿厚度方向从上到下依次减小。此外,铝侧和镁侧界面的Al₃Mg₂层具有较高的平均晶粒取向差,这为铝和镁原子间的扩散提供了一条途径。当转速为600 r/min时,Mg固溶体与Al₁₂Mg₁₇相组成的共晶层沿厚度方向分布在镁侧界面上,共晶层厚度较低转速（375 r/min）时显著增加。镁侧界面上部的Al₃Mg₂层和共晶层的平均厚度分别为32.89和68.92 μm。最后,由转速引起的应变速率对金属间化合物的生长起着重要作用。     

铝/钢异种金属旋转摩擦焊接研究现状

根据铝/钢异种金属焊接冶金特点及旋转摩擦焊接工艺特点,分析认为旋转摩擦焊最适合铝/钢异种金属轴对称件焊接的工艺。分别介绍了连续驱动摩擦焊和惯性摩擦焊接工艺对铝/钢异种金属焊接接头的组织和性能的影响。总结了铝/钢异种金属摩擦焊接技术研发中亟待解决的主要科学问题,铝/钢旋转摩擦焊过程中摩擦界面及其附近剧烈的塑性流变对IMCs生成的影响规律和机制需要进一步的研究;需要开发相应的工艺措施促进铝/钢接头界面上形成以Fe-Al IMCs为标志的冶金结合,并使IMCs层厚度均匀化。最终指明,研究揭示铝/钢摩擦界面IMCs生成机理、相的组成、形态、分布等冶金行为,对铝/钢旋转摩擦焊接头的组织性能调控具有重要意义,也是铝/钢异种金属焊接结构性能保证的理论基础。     

铝/镁异种合金搅拌摩擦搭接焊接头界面结构及拉剪性能

在其它焊接条件相同的情况下,通过改变焊接速度对5A06铝合金和AZ31镁合金进行搅拌摩擦搭接焊接试验,分析焊接速度对接头hook沟成形及拉剪性能的影响.结果表明,适当降低焊接速度,有利于提高焊接热输入量和金属流动能力,使得接头的有效搭接厚度和宽度增加,内部孔洞缺陷消失.此外,有利于hook沟处铝和镁金属原子发生充分扩散...     

旋转速度对镁/铜异种金属搅拌摩擦焊接头成形及拉伸性能的影响

保持95 mm/min焊接速度不变的条件下,通过改变旋转速度研究其对镁/铜异种金属搅拌摩擦焊接头成形和力学性能的影响。结果表明:采用750 r/min搅拌头旋转速度焊接时,焊缝表面出现起皮现象;焊核区底部形成明显的隧道槽缺陷。适当增加搅拌头旋转速度至950 r/min时,焊缝表面变得更光滑;混合区尺寸增大;内部隧道槽缺陷消失;该混合区主要由被搅碎的Mg、Cu合金和少量新生成的Mg₂Cu金属间化合物组成;接头的抗拉性能最好,抗拉强度达81.7 MPa;但是,继续增大搅拌头旋转速度至1180 r/min时,不利于接头成形,混合区底部有细小的孔洞缺陷产生。     

母材相对位置对搅拌摩擦焊接铝/铜异种金属接头性能的影响

铝、铜两种金属性能差异较大,用常规焊接方法难以实现连接,极大地限制了铝/铜复合接头的质量和应用范围.利用搅拌摩擦焊接技术成功焊接了防锈铝合金/紫铜异种金属的对接接头,通过焊缝接头表面宏观形貌观察、接头横断面组织分析及接头的抗拉强度分析母材相对位置对铝/铜搅拌摩擦焊接头性能的影响.结果表明,搅拌针相对配合面存在偏移的情况...     

镁铝异种合金搅拌摩擦焊综述

铝镁合金搅拌摩擦焊中峰值温度超过Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶温度,两种金属间化合物的形成不可避免。通过将镁合金置于前进侧、搅拌针偏向镁合金,采用液氮或水下搅拌摩擦焊,加入中间层过渡金属等方法可降低搅拌摩擦焊过程中的热输入,有效减少焊核区金属间化合物的数量。采用锥形螺纹搅拌针对接、配合直径约为3.5倍板厚的内凹型轴肩可提供适当的热输入,促进材料塑性流动,增加两种材料相互交融的程度,提高接头抗拉强度;超声辅助搅拌摩擦焊技术可破坏脆性界面层进而提高接头强度。     

轴肩尺寸对异种铝合金材料搅拌摩擦焊接头显微组织的影响规律

对5083铝/6082铝异种材料搅拌摩擦焊（friction stir welding,FSW）进行研究,重点分析轴肩直径对横截面形貌、显微组织与显微硬度的影响规律.结果表明,FSW接头焊核区由致密细小的等轴晶组成;增加轴肩直径可增加焊核区沿垂直焊缝方向的宽度以及增大焊核区、热影响区与热力影响区的晶粒尺寸.与后退侧的6082铝合金不同,前进侧5083铝合金的热力影响区发生了动态再结晶.显微硬度呈W形分布,最小值出现在热影响区.显微硬度的测试结果与焊核区的横截面形貌结果吻合.     

搅拌摩擦焊工艺参数对异种镁合金接头组织和性能的影响

对异种变形镁合金AZ31B与AZ61A进行搅拌摩擦焊对接试验,研究了工艺参数对接头组织及力学性能的影响.结果表明:当采用凹面圆台形搅拌头,且将AZ31B置于后退侧进行施焊时易得到成形良好、无焊接缺欠的对接接头,接头抗拉强度最高可达到母材AZ31B的90.5%.对焊缝的端面微观组织特征分析发现:接头各区域组织差异很大,前进侧热力影响区组织呈层状分布且较宽.当工艺参数不恰当时,该区域层状组织间易产生氧化物和杂质物的富集,夹杂层的存在及应力集中是造成接头在前进侧热力影响区力学性能下降的最主要原因.     

钛合金/铝合金搅拌摩擦焊接头的显微组织

采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行焊接,采用金相、扫描电镜和能谱观察分析焊接接头的组织.结果表明:搅拌摩擦焊接头中,钛合金母材与焊核的界面凸凹不平,边界处存在白亮颗粒,而铝合金母材与焊核的界面光滑、平整;焊核区铝合金基体上分布大小不等的颗粒,这种颗粒有两种类型,一种颗粒的尺寸较小、呈细长条状,另一种颗粒尺寸较大,整体呈暗灰色、边缘有少量发亮的条带.两种颗粒中均有Ti-Al金属间化合物存在;钛合金/铝合金异种材料焊接时,搅拌头的磨损很严重,在焊核和铝合金母材的边界存在搅拌头磨损后脱落的颗粒.     

铝合金搅拌摩擦焊异种焊接头的显微组织和力学性能

对8mm厚6082/5083铝合金进行了搅拌摩擦焊焊接,焊后通过金相分析、拉伸试验和断口形貌观察等方法研究了搅拌摩擦焊异种焊接头的显微组织和力学性能.研究结果表明:在旋转速度800 r/min、焊接速度120 mm/min工艺条件下,接头表面成形良好,内部无明显缺陷.焊核区是由细小的等轴晶组织构成;前进边和回转边的界面形态差异较为明显,前进边的组织形貌呈花纹状,由两种铝合金组织交互融合而成,但回转边组织形貌则呈曲线状,明显将两种组织分开.断口形貌分析显示,接头断裂模式为脆性断裂.     

锌夹层对铝合金超声搅拌摩擦点焊Hook缺陷的影响

对于铝合金的搅拌摩擦点焊,Hook缺陷是制约接头焊接质量的原因之一. 文中提出一种添加锌夹层的超声搅拌摩擦点焊新工艺,在利用超声可提高材料流动性及促进元素扩散的同时,添加纯锌中间层,使界面形成低熔点共晶进一步促进Hook区材料的冶金结合,从而改善Hook形貌,提升接头焊接质量. 结果表明,添加锌夹层可明显改善接头Hook形貌,显著提高了Hook区有效连接面积. 在不同热输入条件下,添加锌夹层后超声搅拌摩擦点焊接头的拉剪强度均有所提高. 当转速为600和1 200 r/min时,添加锌夹层比常规超声搅拌摩擦点焊工艺得到的接头拉剪失效载荷分别提升了21.36%和12.79%.     

外加热源对铝-铜搅拌摩擦焊对接的影响

为了改善铝-铜搅拌摩擦焊对接接头的焊缝接头性能,文中采用对焊缝铜一侧引入外加热源的方法,来增加焊接热输入,提高铜侧材料的软化程度.结果表明,外加热源能够有效提高焊缝部位铜一侧的焊接温度,从而增加焊接过程中铜一侧的塑化流动性,形成成形良好的焊接接头.通过焊缝的物相对比可知,外加热源引起的温度场的改变,有效地减少了焊缝中CuAl,CuAl₂等中间相的含量,增加了铜颗粒在焊缝中的含量.在力学性能上表现为有外加热源的焊缝拉伸强度较高,显微硬度分布均匀.     

State of the art about dissimilar metal friction stir welding

Friction stir welding is a rather recent welding process (patented in 1991 by Thomas et al., ‘Improvements to friction welding’ UK patent application no. 9125978.8, US Patent 5460317, 1995) that has shown great potential for welding dissimilar materials even of different metallic nature, e.g. Al to steel, Mg to steel, Al to Ti, Mg to Ti, Al to Cu, Al to Mg. This review presents the specific microstructural features and mechanical properties, in particular tensile strength, of such welds. A focus will be on the material flow and welding defects, on the intermetallic compounds, on constitutional liquation, on particularities related to dissimilar lap welding and finally on process modifications to improve dissimilar friction stir weldability.     

Characterization of aluminum/steel lap joint by friction stir welding

The welding of a lap joint of a commercially pure aluminum plate to a low carbon steel plate (i.e., Al plate top, and steel plate bottom) was produced by friction stir welding using various rotations and traveling speeds of the tool to investigate the effects of the welding parameters on the joint strength. The joint strength depended strongly on the depth of the pin tip relative to the steel surface; when the pin depth did not reach the steel surface, the joint failed under low applied loads. Meanwhile, slight penetration of the pin tip to the steel surface significantly increased the joint strength. The joint strength tended to increase with rotationspeed and slightly decrease with the increase in the traveling speed, although the results were quite scattered. The effects of the welding parameters were discussed metallographically based on observations with optical and scanning electron microscopes.