Mg/Al异种金属焊接的研究现状

Mg/Al异种金属焊接的主要问题在于母材本身极易氧化,热传导系数大,易产生热裂纹和气孔等缺陷,尤其是极易形成金属间化合物,都严重影响了焊接接头的性能。本文在对常规熔焊如TIG焊、电子束焊、激光焊等方法进行了总结的基础上,归纳了抑制金属间化合物产生的方法,包括加入第三种元素、采用复合热源以及固相焊如扩散焊、搅拌摩擦焊等。从控制金属间化合物的角度来看,固相焊的研究仍将是Mg/Al异种金属连接的主要发展方向。     

镁/铝层合板FSW接头微观组织及力学性能

文中采用搅拌摩擦焊 (FSW)方法对Mg/Al层合板进行单面、双面对接方式焊接,对接头的微观组织和力学性能进行测试. 结果表明,随着焊接速度和搅拌针旋转速度的增加,焊缝表面成形良好,接头不同区域未见气孔、裂纹等缺陷,物相主要由Mg₁₇Al₁₂,Mg₂Al₃和MgAl等组成,接头部位的晶粒尺寸得到明显细化,产生了动态再结晶,金属间化合物的形成有利于动态再结晶的形核. Mg/Al层合板双面FSW焊接头的拉伸强度和断后伸长率高于单面焊接接头的强度和断后伸长率,主要是由于接头部位金属间化合物的数量和分布不同,抑制接头部位金属间化合物的形成有利于提高Mg/Al层合板FSW接头的性能.     

铝与镁异种轻合金摩擦搅拌焊的研究现状

铝合金与镁合金异种接头焊接难度大,接头质量差,摩擦搅拌焊技术成为铝合金与镁合金异种接头焊接的新方向。对近些年来铝合金与镁合金异种接头摩擦搅拌焊的研究现状进行了综述,概括了焊缝成形、接头显微组织、焊接温度测量与控制及接头力学性能等方面的问题。得出了金属间化合物的形成严重影响焊接质量的结论,并提出了改善该问题的方法以及未来的发展方向。     

AZ31B镁合金/镀锌钢无匙孔搅拌摩擦点焊结合方式

采用无匙孔搅拌摩擦点焊和真空扩散焊对AZ31B镁合金和DP600镀锌钢板进行搭接点焊试验,利用扫描电镜、能谱仪及拉伸试验对无匙孔搅拌摩擦点焊接头与真空扩散焊接头进行微观组织及力学性能的对比分析.结果表明,镁钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头结合方式为机械结合与冶金结合共同作用,冶金结合表现为:镁钢界面发生扩散生成由Mg、Fe、O形成的金属间化合物,镁合金中的合金元素与铁生成金属间化合物,机械结合表现为:钢像“钉子”一样插入到镁合金基体中,且在镁钢结合界面处,两种金属呈锯齿状咬合,接头抗剪切载荷平均可达10.36 kN,而只存在单纯扩散结合方式的真空扩散焊接头抗剪切载荷平均仅为2.5 kN.通过两种接头对比分析可知,机械结合对接头力学性能的贡献远远大于冶金结合,其接头结合方式以机械结合为主.     

水下搅拌摩擦焊改善中厚度铝/镁成形和性能的研究

以厚度6 mm的铝/镁异种材料的搅拌摩擦焊为研究对象,分别在空气以及26.5℃和5℃的水下环境下进行焊接,对比研究不同环境下的接头的微观组织、接头性能,并对粘头机理进行探究。结果表明,水下搅拌摩擦焊能够有效降低焊接过程温度,抑制脆性Al-Mg金属间化合物的长大,缓解搅拌头粘头现象,能有效改善焊缝成形和接头力学性能。5℃冷却水环境下得到的铝/镁搅拌摩擦焊接头的拉伸性能和延伸率最高,达到129.3 MPa和4.4%,分别是常规空冷接头的1.8和3.9倍。同时揭示了搅拌头粘着材料主要由Mg2Al3和Al固溶体组成,说明搅拌头粘头现象与Al-Mg金属间化合物的生成直接相关。     

镁铝异质搅拌摩擦焊搭接接头微观组织分析

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为3mm的镁合金和铝合金进行了异质金属的搭接实验,焊后对接头的微观组织形貌以及主要成分进行了分析.研究结果表明,在镁铝界面处形成了一个过渡层,接头主要通过该过渡层形成连接,过渡层内弥散分布着大量树枝状晶Mg17Al12和柱状晶Al3Mg2.     

摩擦增材辅助Ti/Al搅拌摩擦搭接接头特征分析

为解决Ti/Al异种材料搅拌摩擦焊接接头强度低、搅拌针磨损等问题,提出一种摩擦增材辅助搅拌摩擦搭接焊(friction addition-friction stir lap welding, FA-FSLW)技术. 该新工艺延续了固相连接的优势,具有热输入量低、界面金属间化合物薄等特点.文中研究了以6082铝合金作预沉积层辅助实现3 mm厚2A12铝合金板与4 mm厚TC4钛合金板之间的连接,焊接过程中搅拌头扎入铝沉积层而不接触钛表面,得到抗拉载荷最大为12.2 kN的接头.结果表明, FA-FSLW复合焊接头的界面迁移越大,接头承载越小.同时,发现界面处的Ti, Al元素发生了明显互扩散,Si元素在界面偏聚,与Ti, Al元素发生冶金反应后形成层状纳米级Ti-Al-Si金属间化合物,为提高接头强度奠定基础.     

6061-T6铝合金与镀锌钢轻载搅拌摩擦焊搭接工艺研究

基于4种不同针长的搅拌头,采用超高转速搅拌摩擦焊工艺实现了6061-T6铝合金和镀锌钢板的搭接连接。结果表明:采用无针搅拌头时轴向力最大,仅为1.1 kN,远低于常规转速搅拌摩擦焊时产生的轴向力,随着针长的增加,需要的轴向力越来越低。当使用无针搅拌头时,在小下压量参数下得到了成形性能较好的焊接接头,而使用针长为0.3 mm的搅拌头时,得到了力学性能最佳的焊接接头,最大抗拉强度达到94.1 MPa,断裂位置为6061-T6母材前进侧,界面处生成了厚度均匀的金属间化合物,厚度达到5.2μm,金属间化合物的主要成分为Fe4Al13。该金属间化合物在接头连接中发挥主要作用。     

铝/钢异质金属搅拌摩擦焊研究进展

由于铝、钢的热物理性能差异较大,且铁在铝中的固溶度极低,铝/钢异质金属焊接已成为该领域研究的难点与热点。搅拌摩擦焊具有热输入低、热循环时间短等优点,能够有效控制铝/钢接头中金属间化合物的生长,从而获得高质量的焊接接头。文中综述了铝/钢异质金属搅拌摩擦焊国内外研究现状,涉及搅拌头材料选择与结构设计。此外,分析了对接、搭接与点焊三种形式接头的组织与性能,并探讨了铝/钢搅拌摩擦焊技术的未来研究方向。     

异种金属材料搅拌摩擦焊的研究现状及展望

对近年来国内外异种金属搅拌摩擦焊的研究现状进行了总结。重点对异种材料搅拌摩擦焊的特点、应用及其组织演化特征进行归纳和分析。异种材料连接结构具有两种材料综合的优异性能,随着异种材料连接结构应用前景的不断扩大,采用搅拌摩擦焊接技术的优势是生产效率高、焊接变形小、成本低、质量好等。但是,异种材料的搅拌摩擦焊技术存在一个突出的问题就是接头中存在金属间化合物,这会对其力学性能产生十分不利的影响。因此,在进行异种材料的搅拌摩擦焊时,对金属间化合物的形貌及分布状态的控制是获得优良焊接接头的关键所在。     

温度峰值影响6061铝/AZ31B镁异种材料FSW接头成形的规律

以6061-T6铝合金与AZ31B镁合金为研究对象,基于Abaqus软件进行了异种材料搅拌摩擦焊过程的温度场数值模拟,重点分析搅拌针偏置镁侧下的搅拌区温度峰值影响焊缝表面成形的规律。结果表明,当焊接温度峰值高于Al-Mg共晶温度时,搅拌针根部附近区域会出现较明显的黏着现象,其随着焊接速度的降低而加剧,这与焊接温度峰值的升高相关。随着焊接速度的增加,焊缝表面更易避免裂纹缺陷的产生。当搅拌头的转速为1200r/min且焊接速度为40mm/min时,6061铝/AZ31B镁异种材料焊接接头的表面成形良好。     

钛合金的搅拌摩擦焊探索

通过对钛合金热物理性能分析，比较了钛合金的搅拌摩擦焊特性；针对钛合金的特点特别设计和使用了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、垫板、冷却和保护装置等；并且对Ti-6Al-4V钛合金的搅拌摩擦焊焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90％以上，但是搅拌摩擦焊工艺、参数、搅拌头还需要进一步优化，性能指标还可以进一步提高。     

2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2014铝合金进行了焊接，分析了接头缺陷的种类及形成原因。研究结果表明：搅拌头形状及焊接工艺参数对接头缺陷的形成具有重要影响；缺陷主要有孔洞、裂纹、飞边和沟槽四种；焊接缺陷的产生是由于在搅拌摩擦焊接过程中焊缝金属经历了不同的热机过程所致，过热或者塑性材料流动不足都会导致焊接缺陷的形成。     

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明：相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。     

Optimizing friction stir welding parameters to maximize tensile strength of AA2219 aluminum alloy joints

AA2219 aluminium alloy (Al-Cu-Mn alloy) has gathered wide acceptance in the fabrication of lightweight structures requiring a high strength-to-weight ratio and good corrosion resistance. In contrast to the fusion welding processes that are routinely used for joining structural aluminium alloys, the friction stir welding (FSW) process is an emerging solid state joining process in which the material that is being welded does not melt and recast. This process uses a non-consumable tool to generate frictional heat in the abutting surfaces. The welding parameters such as tool rotational speed, welding speed, axial force etc., and the tool pin profile play a major role in determining the joint strength. An attempt has been made here to develop a mathematical model to predict the tensile strength of friction stir welded AA2219 aluminium alloy by incorporating FSW process parameters. A central composite design with four factors and five levels has been used to minimize the number of experimental conditions. The response surface method (RSM) has been used to develop the model. The developed mathematical model has been optimized using the Hooke and Jeeves search technique to maximize the tensile strength of the friction stir welded AA2219 aluminium alloy joints.     

Al/Mg异种合金搅拌摩擦连接材料流动可视化和数值模拟研究

在搅拌摩擦焊接（FSW）过程中,连接区金属材料的流动模式与接头组织的形成密切相关,对接头力学性能有着至关重要的影响。本文采用切片法研究了搅拌摩擦焊接接头的材料流动。通过对接头的三维重建,实现了流动材料的可视化,讨论了接头材料的流动模式和缺陷产生的原因。基于计算流体力学(CFD)和多相流理论,本文建立了FSW过程中铝合金/镁合金材料流动的三维数学模型。通过在数值模型中加入分布的示踪粒子,对不同连接参数下的材料流动模式进行分析和预测。结果表明：接头上部材料流动强烈,材料整体向前进侧迁移,接头中部前进侧镁合金向接头前部迁移,暂时形成的空腔由后退侧迁移来的铝合金填充。当不恰当的工艺参数使材料流动不充分时,未被完全填充的空腔会形成孔洞缺陷。接头整体材料主要以层流为主。在满足材料流动热输入需要时,接头材料的流动模式基本不发生改变,在高转速过热条件下,材料的迁移距离和混合模式会发生改变,两材料围绕搅拌头以层流模式多次越过对接线并充分混合,同时在后退侧产生紊流现象。     

Friction stir welding of thick plates of Al–Mg–Sc alloy

A technology is developed for single-pass friction stir welding (FSW) of 11- and 35-mm-thick plates of Al–Mg–Sc alloys. The microstructural and mechanical heterogeneity of the welded joints is investigated. The welded joints obtained under the optimum welding conditions are free from macrodefects. The strength of the welded joint equals 98% of the strength of the parent metal, which is higher than the strength of fusion-welded joints. It is concluded that the FSW of thick plates of Al–Mg–Sc alloy can be used efficiently in practice.     

高速列车铝合金车身双热源搅拌摩擦焊仿真

高速列车采用超长铝合金型材作为车身新材料。搅拌摩擦焊以固相连接原理成为高铁车身制造新工艺。针对单热源模型不足,考虑搅拌轴肩转动摩擦生热和搅拌头塑变剪切生热,建立搅拌摩擦焊双热源有限元模型。基于传统熔焊方式,实现满足搅拌焊特征的双面挤压型材接头变形设计。通过ANSYS二次开发,完成该工艺移动瞬态热交换数值仿真,获得焊接全程三维温度场分布,仿真结果与试验数据吻合良好。结果表明,该仿真模型可行．仿真结果合理,为高铁车身国产化制造工艺吸收和工艺优化提供参考。     

Effects of welding parameters and tool geometry on properties of 3003-H18 aluminum alloy to mild steel friction stir weld

Defect-free butt joints of 3003 Al alloy to mild steel plates with 3 mm thickness were performed using friction stir welding (FSW). A heat input model reported for similar FSW was simplified and used to investigate the effects of welding speed, rotation speed and tool shoulder diameter on the microstructure and properties of dissimilar welds. The comparison between microstructure, intermetallics and strength of welds shows the good conformity between the results and the calculated heat input factor (HIF) achieved from the model. The joint strength is controlled by Al/Fe interface at HIF of 0.2–0.4, by TMAZ at HIF of 0.4–0.8 and by intermetallics and/or defects at HIF>0.8.     

Electrochemical corrosion behaviour of stir zone of friction stir welded dissimilar joints of AA6061 aluminium–AZ31B magnesium alloys

Joining of dissimilar metals will offer many advantages in transportation sectors such as fuel consumption, weight reduction and emission reduction. However, joining of aluminium (Al) alloys with magnesium (Mg) alloys by fusion welding process is very complicated. Friction stir welding (FSW) is a feasible method to join these two dissimilar alloys. Mixing these two metals together in stir zone (SZ) leads to poor corrosion resistance. In this investigation, an attempt has been made to understand the corrosion resistance of SZ of FSWed dissimilar joints of AA6061 Al alloy and AZ31B Mg alloy. Potentiodynamic polarization test was conducted by varying chloride ion concentration, pH value of the NaCl solution and exposure time. The corroded surfaces were analyzed using optical microscopy, scanning electron microscopy and XRD techniques. Of these three factors investigated, exposure time is found to be the most significant factor to influence the corrosion behaviour of SZ of friction stir welded dissimilar joints of Al/Mg alloys.