铝钢异种材料搅拌摩擦点焊研究现状

铝钢异种金属的连接对能源与材料的高效利用受到汽车相关行业的重视,搅拌摩擦点焊作为一种固态焊接方法可以大幅减少金属间化合物的不利影响,在异种金属的连接领域有着广阔的应用前景。通过阐述铝钢异种金属连接的主要连接原理,分析解释相关工艺参数及组织对焊接结果的影响,归纳总结了国内外关于铝钢异种材料搅拌摩擦点焊的相关研究现状,并探讨了目前铝钢搅拌摩擦点焊中存在的问题以及未来可行的研究方向。     

铝/钢异种金属钎焊与固相焊新技术：搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）

为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）,并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头,既避免了针的磨损,又获得了无匙孔的光滑外观;同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接,还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。     

铝/钢无匙孔搅拌摩擦点焊焊接性分析

采用自行设计的无匙孔搅拌摩擦点焊方法对6061铝合金和DP600镀锌钢进行点焊(钢上铝下),利用扫描电镜、能谱仪及拉伸试验对接头的微观组织和力学性能进行研究.结果表明,搅拌头旋转频率为1200 r/min、预热时间为6 s和搅拌针长度为3.2 mm时,接头抗剪载荷可达11.2 kN.接头表面平整美观无匙孔;接头由搅拌区和扩散区组成,搅拌区内钢以弯钩状分布嵌入铝基体,形成牢固的机械连接;扩散区内铝和钢依靠界面上的金属间化合物连接,连接方式为冶金结合.接头断裂位置为扩散区化合物层与铝基体界面处,断口呈河流状的解理台阶,属于脆性断裂.     

铝/钢异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展

铝/钢异质金属复合结构具有轻质节能、降低成本、可以满足不同的工作条件等特点,在航空航天、船舶制造等领域的应用日益受到重视。由于铝和钢的物理化学性质存在巨大差异,铝和钢的连接成为焊接领域的难点问题。搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法,具有热输入低、高温停留时间短、焊接变形小等特点,对克服铝/钢异质金属性能差异带来的焊接困难具有优势,已成为铝/钢异质金属焊接的研究热点。综述了铝/钢异质金属搅拌摩擦焊国内外研究现状,主要涉及搅拌头材料选择与结构设计、焊缝成形、焊接工艺窗口、力学性能、接头冶金结合、连接机制以及外源辅助搅拌摩擦焊新技术,可以为铝/钢异质金属结构的轻量化设计提供新思路,最后对其发展趋势进行了展望。     

铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接方法,在异种材料连接方面有广阔的应用前景。本文从搅拌摩擦的工艺、性能及组织三方面分别介绍了铝-钢搅拌摩擦焊的研究进展,为其深入研究提供了依据。采用搅拌摩擦焊,异种金属铝-钢可以实现连接,但工艺参数选择范围较小,钢置于前进边时,铝-钢更易连接。由于铝一钢物理性能的差异,二者流动状态不同,焊核两侧呈现不同结构,接头的力学性能由于脆性金属间化合物的存在而降低。通过改变热输入或添加第三组元等微量元素的办法可以改善接头的力学性能。     

铝/钢搅拌摩擦焊金属间化合物调控研究进展

铝/钢异种金属的可靠连接是汽车行业实现轻质节能设计的重要途径. 铝和钢的热物理性能和化学性能差异大,采用固相焊方法连接较为适宜. 搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)具有热输入低、高温停留时间短和焊接变形小等特点,在连接铝/钢异种金属上具有较大的优势和潜力. 铝/钢异种金属FSW高质量的核心技术之一为界面金属间化合物的调控. 基于铝/钢FSW固相连接机制,文中从焊接参数(焊接速度、焊具转速、偏移量、倾斜角和下压量)、焊具结构(搅拌针形貌、螺纹及锥角)和中间层(铝和锌等)设计等方面对界面金属间化合物调控的研究现状进行了综述,并围绕接头承载能力的提升总结了铝/钢FSW新技术(匙孔填充、自铆接及外源辅助FSW),并进一步展望了铝/钢FSW的发展趋势.     

搅拌摩擦加工法制备铜/钢复合板工艺探索

探索了用搅拌摩擦加工法制备铜/钢复合板,并对复合板界面区域进行了微观形貌分析和硬度测试.结果表明,随搅拌针插入量的增大,复合板界面区域铜与钢的混合程度增大,搅拌针的磨损程度也增大,搅拌针最佳插入量为0.5mm;在铜/钢复合板的界面上,铜、钢两种成分相互扩散,可得到铜钢固溶体,其硬度最大可达288HV,约为钢母材的1.9倍.     

机器人搅拌摩擦点焊系统设计

搅拌摩擦点焊是一种新型固相焊接技术,机器人焊接是焊接制造业的主要发展方向,将搅拌摩擦点焊与机器人相结合,通过加工相应的焊接装置以及增加机器人的承载能力,设计完成机器人搅拌摩擦点焊装置,实现对搅拌针的精确控制。机器人搅拌摩擦点焊的控制系统是将机器人控制系统和搅拌摩擦点焊控制系统结合,在焊接过程中二者既能独立运行,又相互联系,实现搅拌摩擦点焊装置与机器人协同工作模式,从而实现无间断循环的焊接过程,提高焊接效率。通过实验对比分析机器人搅拌摩擦点焊与传统龙门式搅拌摩擦点焊焊接的工件表面成形和焊点力学性能,结果表明:机器人搅拌摩擦点焊系统实现了复杂结构工件的焊接,表面成形良好,无明显的焊接缺陷,且焊点结合强度与龙门式相当,机器人搅拌摩擦点焊系统具有良好的焊接性能。     

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.     

铝-钢堆焊-搅拌摩擦复合焊接头特性分析

针对铝-钢异种金属焊接缺陷多、效率低等问题,提出一种堆焊-搅拌摩擦复合焊接方法,即采用旁路分流电弧焊先在钢板上堆敷铝合金,再采用搅拌摩擦焊进行铝合金堆敷层和铝合金母材的搭接焊,得到在铝-铝界面呈现典型搅拌摩擦焊“洋葱圆环”状结合的铝-铝-钢复合过渡接头. 针对典型焊缝进行铝-钢异种金属接头的组织结构分析.结果表明,搅拌摩擦焊可以有效消除铝合金堆敷层中存在的气孔等缺陷,并实现金属界面层的减薄. 对铝钢结合界面进行EDS扫描,在堆敷铝合金侧可以观察到呈树枝状的Fe相扩散和呈网状的不均匀Si相扩散,结合XRD(X-ray diffraction)分析其主要成分为Al₅Fe₂Zn_0.4和Al₇Fe₃Si_0.3. 对接头试样进行拉伸试验,拉伸接头断裂在铝合金母材处,达到铝合金母材强度的100%,符合接头应用的力学指标.     

铝/铜搅拌摩擦焊接头力学性能与断口形貌分析

由于铝、铜两种材料性能差异较大,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地实现了铝合金5A06和紫铜T2的对接焊接,并对接头的力学性能及拉伸断口的形貌进行了分析.结果表明:选用合适的焊接参数,接头的抗拉强度达到225MPa,为母材紫铜T2的76.4％;焊缝区显微硬度测试显示,搅拌区铝-铜材料的混合,硬度值呈现波动且在靠近富铜区硬度出现突增值;拉伸断裂多发生在前进侧的热影响区或焊核区,宏观断口呈45°倾斜式和铝-铜交替层状断形貌;断口SEM微观形貌多呈塑性韧窝状.     

纯铝1060/镀锌钢电阻点钎焊工艺及接头性能

采用电阻点钎焊进行了纯铝1060与SGCC热镀锌钢板的搭接试验,研究了接头界面组织,并测试了接头力学性能. 结果表明,试验所用铝硅（Al-Si）合金钎料润湿良好,焊后接头焊缝界面处产生了具有双层结构且厚度不均的金属间化合物,厚度小于10 μm;焊接电流为7.8 kA时,接头抗拉剪载荷达到峰值,约为4.72 kN,在相同工艺参数下,电阻点钎焊接头的抗拉剪载荷明显高于点焊接头;接头断裂大都发生在铝板侧,且主要在热影响区处而不在焊点处,说明点钎焊接头质量良好,但由于焊缝铝侧界面局部存在“未钎合”缺陷,焊缝界面会产生拉应力且在金属间化合物的应力作用下易产生裂纹.     

铝/铜异种材料搅拌摩擦铆接工艺

铝/铜异种材料的搅拌摩擦点焊接头的焊核区会存在较多的金属间化合物。为了减少这些硬脆且连续的金属间化合物对接头抗拉强度的影响,在搅拌摩擦点焊的基础上提出一种新型搅拌摩擦铆接技术。焊接中铝板(上板)预制孔中填充铜柱,使用旋转搅拌头下扎实现连接。研究结果表明,接头中未出现常规搅拌摩擦点焊中的Hook缺陷,铜柱的存在避免了铝板/铜板搭接界面处异种材料的混合,同时匙孔周围产生的铜层可以增加接头的机械互锁能力。铝板/铜柱垂直界面处发生原子扩散行为,形成由CuAl2以及CuAl组成的金属间化合物层。基于机械互锁与冶金结合的搅拌摩擦铆接技术可获得铝/铜异种材料的高质量接头。     

铝合金搅拌摩擦焊-交叉点焊工艺

在铝合金传统搅拌摩擦点焊的基础上,以提高点焊接头力学性能为目标,提出"搅拌摩擦焊-交叉点焊"技术.其基本工艺原理是,搅拌头沿交叉轨迹做极短距离的往复式搅拌摩擦焊,以实现高性能的点焊连接.对4mm板厚5A02-H14铝合金进行"搅拌摩擦焊-交叉点焊"试验及分析.结果表明,该工艺可大大拓宽点焊接头的连接面积,并显著降低搭接界面畸变和匙孔处材料缺失的不利影响,与传统搅拌摩擦点焊相比,该工艺能够显著提高铝合金点焊接头的抗剪切性能.     

防锈铝搅拌摩擦焊接

通过大量试验研究了防锈铝LF21搅拌摩擦焊接技术,深入分析了防锈铝搅拌摩擦焊接头的金相组织和力学性能,并探讨了焊接参数对组织性能的影响.对于3mm厚的防锈铝板,优化的搅拌头材料为ICr18Ni9Ti,形状为圆锥带凹面形,轴肩尺寸为φ12mm,焊针跟部直径为4mm,焊针端部直径为2.8mm,焊针高度为2.7mm.优化的焊接工艺参数范围为旋转速度950-1 500 r/min,焊接速度37.5～60mm/min.研究的成果可应用于有色金属材料搅拌摩擦焊接参数的优化,推动中国搅拌摩擦焊接技术在铝焊接中的应用.     

附加超声对6061-T6铝合金/Q235钢搅拌摩擦焊搭接工艺优化

采用超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺实现了6061-T6铝合金和Q235钢异种金属的有效连接,考察了超声能量对焊缝成形、接头组织、力学性能以及焊接载荷的影响.结果表明,施加超声能量可以显著改善焊缝表面成形,增加铝/钢界面区和焊核区的宽度.超声振动细化了焊核区和热力影响区的晶粒组织,改变了搭接接头的断裂机制和断裂位置,提高了...     

铝合金分步回填无匙孔搅拌摩擦点焊工艺

针对常规搅拌摩擦点焊在焊接过程结束后会留下匙孔的问题,采用了分步回填无匙孔搅拌摩擦点焊的方法对1060铝合金进行搭接焊接试验,以避免产生匙孔,并对在该方法下采用不同转速得到的焊接接头的微观组织及力学性能进行分析。结果表明：在合适的搅拌头转速下,采用分步回填的方法得到的焊接接头表面美观,无毛刺飞边等缺陷,抗剪切能力较强。     

铝/铝基SiC锁底接头微搅拌摩擦焊工艺特性

对薄壁铝合金/铝基SiC复合材料锁底接头微搅拌摩擦焊接工艺特性、接头形貌特征及力学性能进行研究. 结果表明,当铝合金位于前近侧,搅拌针无偏移且压入深度合适时,在较宽的工艺参数窗口内均可得到成形良好的焊缝. 由于微搅拌摩擦焊所特有的金属流动特点以及SiC颗粒难以流动的特性,搭接界面呈现出形状复杂的特殊形貌. 不同工艺参数下得到的接头断裂路径不同,决定着接头强度的差异,强度高低取决于断裂路径是否穿过铝合金及铝基SiC材料内部.     

搅拌针偏移量对铝/铜异质金属搅拌摩擦焊接过程和接头组织性能的影响

采用搅拌摩擦焊接技术对2 mm厚6061铝合金和紫铜合金异质金属进行对接试验,研究搅拌针偏移量对铝/铜异质金属接头组织和性能的影响。研究发现,由于铝和铜两种材料的流动性存在差异,随着搅拌针由铝侧向铜侧偏移,搅拌头-工件界面的温度无明显变化,而焊接过程中的前进阻力显著增大,且接头机械互锁程度也更加充分。对铝/铜异质接头微观形貌进行扫描电子显微镜分析,发现铝/铜界面处的金属间化合物层呈清晰的双层结构,分别为靠近铝侧的Al₂Cu层和靠近铜侧的Al₄Cu₉层,此外金属间化合物还以颗粒状和条带状等形貌分布在铝/铜界面附近。搅拌针偏向铜侧0.5 mm时得到的铝/铜异质接头机械互锁程度和金属间化合物分布最为理想,接头抗拉强度达到200 MPa。