螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊塑性连接机理及接头力学性能研究

为了获得铝合金板材高性能点连接接头,兼顾机械连接与固相焊接的技术优势,采用不同焊具开展了铝合金板材搅拌摩擦铆焊试验。对比研究铆焊成形力、接头形貌及塑性变形机理和力学性能及失效行为,以期阐明螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊工艺对接头性能的强化机制。结果表明：搅拌摩擦铆焊过程中,随工具头位移变化,铆焊成形力呈先迅速增大、达到峰值后在一定范围内保持最后迅速降低的变化趋势;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头上下板材之间形成了冶金结合,螺纹铆钉与塑化材料之间形成机械连接;轴肩下方上板的有效板厚、搅拌区的有效结合宽度以及铆钉与被焊材料的有效铆合高度是影响螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头力学性能的关键技术参数;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头的拉伸剪切峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的1.65倍,十字拉伸峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的2.7倍。     

7A09H112铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能分析

使用搅拌摩擦焊方案焊接12 mm厚7A09H112铝合金,获得成形良好、无缺陷的焊接接头.对焊接接头进行微观组织及力学性能测试分析.结果表明:热机影响区晶粒出现扭曲畸变,靠近母材区域的晶粒较粗大,而靠近焊缝区域的晶粒较为细小;焊接接头的平均抗拉强度为221 MPa,达到母材的88％,平均屈服强度为149 MPa,达到母...     

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能

对4mm厚6061-T6铝合金进行了搅拌摩擦焊焊接,采用组织观察,拉伸试验和静态腐蚀失重试验对搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能及腐蚀性能进行了研究。结果表明:接头焊核区发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶,热机影响区晶粒发生了较大程度的变形,热影响区晶粒发生了粗化;焊接速度为160mm·min-1时,接头的抗拉强度达到215MPa,为母材的76%,接头的断裂形式为韧性断裂;接头显微硬度分布曲线呈W形,沿焊缝中心线基本对称,前进边热影响区硬度低于母材的,是接头的薄弱环节;焊接速度为160mm·min-1时,焊缝的耐蚀性比母材的好。     

厚板5083铝合金搅拌摩擦焊接头沿厚度方向组织与力学性能

目前,国内外对100 mm以上厚度的铝合金搅拌摩擦焊研究较少。针对110 mm厚5083铝合金(o态)板材进行搅拌摩擦焊双面对接试验。焊后试样进行焊缝表面渗透检测、接头力学性能检测,对焊缝横截面、拉伸试样断口进行光学显微镜金相组织观测、扫面电镜观测。结果表明,试验所得焊接接头质量良好,焊缝表面无渗漏,焊缝内部没有孔洞、隧道等缺陷;试样抗拉伸强度平均值达到母材的98%以上,屈服强度平均值达到母材90%以上,伸长率平均值分别达到母材的75.5%和82.4%,抗拉伸强度沿厚度方向呈现先降低后升高的“V”型趋势;焊缝横截面微观组织无缺陷,晶粒分布均匀并有Mg元素富集相析出;接头断裂机制为混合断裂,从焊缝表面至底部,断裂机制由韧性断裂向脆性断裂趋势发展。试验将110 mm厚铝合金搅拌摩擦焊接头沿厚度方向进行性能分析与研究。     

固溶处理对7B04-O铝合金搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能的影响

对航空用3 mm厚的带有包铝层的7B04-O铝合金板材进行搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW),研究固溶处理对搅拌摩擦焊接接头的微观组织和力学性能的影响。结果表明,当转速为800 r/min、焊接速度为200 mm/min、焊接工具轴肩直径为12 mm时,可得到表面美观、致密无缺陷的搅拌摩擦焊接接头。焊核区发生动态再结晶,形成细小的等轴晶。经固溶处理后,焊核的上部及底部晶粒都发生了异常长大,而中部区域晶粒仍然为细小的等轴晶组织。焊态接头的拉伸试样断裂在母材位置,抗拉强度达到199 MPa,与退火态母材抗拉强度相当,断后伸长率达到12%。在新淬火状态下,接头的抗拉强度为310 MPa,为相同热处理母材的91.4%,断后伸长率为11.2%,试样断裂在焊核区,呈不完全的韧性断裂。     

高速列车用6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊工艺研究

研究了工艺参数对6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝成形、微观组织以及力学性能的影响。结果表明,焊接速度以及搅拌头转速对接头力学性能具有明显影响。在焊接速度一定时,随着转速提高,接头力学性能提高,这与焊核区和热机影响区的固溶强化和塑性变形导致的位错密度增加有关;继续增大转速,接头力学性能下降,这是由于过大的热输入导致接头产生过时效现象。热影响区一直存在过时效现象导致其为接头的薄弱区域,拉伸试样断裂于该区域。在转速一定时,接头力学性能随焊接速度增大而增大。在本实验条件下,抗拉强度最大值为238 MPa,最小为214 MPa,分别达到母材的82.1%、73.8%。     

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。     

纳米SiC颗粒对镁合金搅拌摩擦焊接头性能影响研究

为提高AZ31镁合金焊接接头的综合性能,文章分别研究了无纳米SiC-1道次、添加纳米SiC-1道次和SiC-4道次的搅拌摩擦焊焊接接头,通过光学显微镜、显微硬度仪和拉伸试验机分析了焊接接头的微观组织与力学性能;利用电化学工作站研究了接头的腐蚀行为,采用扫描电镜、EDS和XRD分析了接头的腐蚀形貌、元素成分和物相组成。结果表明,搅拌摩擦焊焊接接头成形良好、无缺陷;接头焊核区组织为均匀的等轴状晶粒,焊接道次的增加可有效改善SiC颗粒的分布情况,异质形核位点的存在起到了晶粒细化的作用,提高了接头的力学性能;在3.5%NaCl溶液腐蚀试验中,含SiC颗粒的接头耐腐蚀性能提升,其中SiC-4道次的接头耐腐蚀性能最佳。     

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。     

铝镁合金填充式搅拌摩擦点焊接头的显微组织及力学性能

对2.0mm厚的5A06铝合金板进行不同工艺参数的填充式搅拌摩擦点焊,并对点焊接头进行了显微组织观察及剪切拉伸、十字拉伸试验。结果表明:接头可以分为焊核区、热机影响区、热影响区、压力影响区和母材区等部分,其显微组织主要为α-Al固溶体,并有金属间化合物β-Mg2Al3相等在基体上分布;随着焊接时间延长和焊接旋转速度的增大,点焊接头的剪切拉伸性能和十字拉伸性能呈现先快速增加后缓慢下降的趋势;当焊接旋转速度为2 000r·min-1,焊接时间为3.5s时,点焊接头最大剪切拉伸载荷可达8 194N,最大十字拉伸载荷可达3 565N。     

2219铝合金搅拌摩擦焊工艺及接头性能

采用搅拌摩擦焊方法对6 mm厚的2219铝合金板进行焊接,研究了2219铝合金的搅拌摩擦焊工艺和主要焊接参数对焊缝成形和接头力学性能的影响.结果表明:在旋转速度1250～1400 r·min-1,焊接速度100～140 mm·min-1时,可获得性能良好的焊接接头;对2219铝合金搅拌摩擦焊接后再固溶时效处理可有效消除接头软化区,提高接头强度.     

异种铝合金摩擦塞补焊接头微观组织及性能

采用2A14-T6铝合金圆锥塞棒和10 mm厚2219-T87铝合金板材进行异种铝合金摩擦圆锥塞焊工艺试验。对异种铝合金摩擦锥塞焊接头的缺陷特征、微观组织、强化相分布、力学性能及拉伸断口形貌进行观察与测试。结果表明:在焊接转速为7 500 r/min,焊接压力为30 k N和35 k N时得到了无缺陷的摩擦塞焊接头;摩擦塞焊接头可分为塞棒区(Plug metal,PM)、塞棒焊缝热力影响区(Plug thermo-mechanically affected zone,PTMAZ)、摩擦界面区(Friction interface zone,FIZ)、热力影响区(Thermo-mechanically affected zone,TMAZ)、热影响区(Heat affected zone,HAZ)和母材区(Base metal,BM)六部分;硬度测试结果显示,母材区硬度最高,塞棒区和塞棒焊缝热力影响区硬度略低于母材,热力影响区和热影响区最低。摩擦塞焊接头的抗拉强度最高可达312 MPa,伸长率可达4.1%;接头在下表面HAZ与TMAZ的交界处起裂,自下表面向上表面扩展,经过TMAZ,最终在上表面的PTMAZ断裂,断口呈韧窝形貌。     

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%。     

不等厚2219铝合金板回填式搅拌摩擦点焊接头组织及性能研究

针对航空航天技术需求,采用回填式搅拌摩擦点焊技术对不等厚(2mm+8mm)2219铝合金板进行了焊接。通过改变焊接工艺参数(旋转速度、焊接时间和下压量),分析了不同焊接参数对点焊接头宏、微观组织及力学性能的影响规律。结果表明,随着旋转速度的增加,点焊接头拉剪力先增加,后降低;而延长焊接时间,可以提高接头拉剪力,但过长的时间会导致接头拉剪力降低;焊接下压量的选择,既要保证上下板的结合,又不能导致下板过度软化。当旋转速度为1 800r/min,焊接时间为6s,下压量为2.6mm时,所获点焊接头的拉剪力最大,为7 924N。回填式搅拌摩擦点焊接头有三种断裂型式:塞型断裂、剪切断裂和塞型-剪切混合型断裂。其中,发生塞型-剪切混合型断裂时,点焊接头的拉剪力较大。     

AZ31B镁合金搅拌摩擦焊接头的显微组织及耐腐蚀性能

对AZ31B镁合金板进行了搅拌摩擦焊,研究了焊接接头的显微组织、物相组成、硬度及耐腐蚀性能。结果表明:该接头焊核区为细小均匀的等轴晶,热机械影响区晶粒得到细化但沿金属塑性流动方向被拉长,热影响区的显微组织与母材区的比较接近,但其晶粒略粗大;与接头母材区相比,焊缝的物相组成未发生变化,各区的硬度有所降低且硬度随距焊缝中心距离的增加呈先减小后增大的变化趋势,硬度最低处位于热机械影响区内;接头的耐腐蚀性能略低于母材的,浸泡腐蚀后接头表面发生全面腐蚀,但各区域的腐蚀程度并不相同,热机械影响区的腐蚀最严重。     

2524-T3铆接接头与搅拌摩擦焊接接头疲劳性能对比研究

通过2524-T3铝合金的搅拌摩擦焊接头疲劳性能对比试验,得到了母材、FSW对接接头、铆钉连接接头的疲劳S-N曲线。试验表明,搅拌摩擦焊的疲劳裂纹大多数起源于焊缝底部;2524-T3材料薄板的疲劳性能略好于厚板的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头疲劳性能要明显好于铆接接头疲劳性能。拟合得到了各种不同厚度,不同应力比下的S-N曲线公式,为搅拌摩擦焊技术应用于飞机结构积累了相关数据。     

搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金接头组织和力学性能的影响

利用正交试验法研究了搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金接头组织和力学性能的影响.结果表明:搅拌头轴肩直径对接头抗拉强度的影响大于搅拌头旋转速度和焊接速度对接头强度的影响;当焊接工艺参数匹配合理时,接头热输入量适当,焊核晶粒组织为细小均匀的等轴晶,接头抗拉强度大于350MPa,接头强度系数高达86%.     

搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究

在MM-200型摩擦磨损试验机上分别试验了LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区和母材的摩擦磨损性能。通过测定失重量和摩擦力矩的波动情况,得出了在不同的工艺参数条件下试样的抗磨损性和摩擦因数的变化规律。实验结果表明：搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能明显优于母材,当正压力从50N增加到106N时,母材的失重量增加近6倍,母材的失重量在同等垂直载荷的情况下是焊缝的10-20倍。实验还表明搅拌摩擦焊接接头的摩擦力矩较小并且波动平缓。搅拌摩擦焊接头区域的磨损机制从磨粒磨损方式转变为疲劳磨损方式。     

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。     

基于BP神经网络的铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究

以焊接母材、搅拌头旋转速度、焊接速度、轴向压力、搅拌头倾角和板材厚度为输入参数,以疲劳寿命为输出参数,构建6×18×9×1四层拓扑结构的铝合金FSW接头疲劳性能BP神经网络模型,并进行了试验验证和产线应用研究。结果表明,神经网络模型具有较高的预测能力和预测精度,相对训练误差小于5.5%、相对预测误差小于6%;生产线上铝合金板材的搅拌摩擦焊工艺参数经神经网络优化后,接头疲劳寿命较神经网络优化前增加51.11%,接头疲劳性能显著提高。