碳纤维感应元件厚度对碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接接头力学性能及断裂形式的影响

利用碳纤维织物与树脂薄膜制备了0.2 mm、0.3 mm与0.5 mm 3种不同厚度的碳纤维感应元件，并开展碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite,CFRTP)感应焊接建模仿真与工艺试验。观察CFRTP感应焊接接头成形形貌，开展接头拉伸剪切强度测试与断口形貌分析，着重探究感应元件厚度对接头力学性能与断裂形式的影响。研究结果表明：碳纤维感应元件能在不引入异质材料的前提下实现CFRTP的高质量感应焊接，但接头界面温度分布具有明显的不均匀性；随着感应元件厚度的增加，过量的树脂会降低接头的成形效果、连接质量与力学性能，同时界面的有效连接面积也随之减小；当感应元件厚度为0.2 mm时，焊接接头的拉伸剪切强度最高可达23.77 MPa；焊接接头的断裂形式包括感应元件内聚破坏、母材表层自破坏、界面破坏和混合破坏，造成接头失效的断裂机制根据感应元件厚度的改变而发生变化。     

CFRP/TC4激光连接工艺及接头组织和性能

针对碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)和TC4钛合金的激光焊接开展研究,分析了工艺参数对接头力学性能的影响,并进行接头断面分析;观察了接头微观结构及界面键合特征,分析了接头连接机理。结果表明：CFRP和TC4在激光的作用下能够获得良好的接头,在试验工艺范围内,当激光功率为650 W、焊接速度为10 mm/s时,接头剪切力最大值为926 N。接头通过TC4以及树脂的相互渗透能形成机械互锁效应,接头断裂模式主要为粘结断裂和内聚断裂,通过分析接头微观结构发现CFRP受热分解形成气泡,同时接头界面发生了元素扩散并在界面发生反应生成TiO₂、CTi_0.42V_1.58组织,同时出现-OH键,从而构成稳定的接头组织。     

汽车6016铝合金/低碳钢激光焊接头界面组织与性能

汽车轻量化需求促使铝/钢一体化结构件代替单一钢结构件成为汽车工业的发展趋势。然而,铝与钢之间冶金相容性较差,传统的熔焊方法难以实现二者的有效连接。为了解决这一难题,本研究采用光纤激光器对车用薄板6016铝合金和DC06低碳钢平板试样进行了钢上铝下搭接形式的激光焊接试验。利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和拉伸试验机等实验设备对铝/钢激光焊接头界面组织和力学性能进行了研究。结果表明,当激光功率(P)为1 000 W、焊接速度(V)为0.05 m/s、离焦量(f)为+1 mm、保护气为高纯氩气且流量为20 L/min时,焊缝中心由大量铁素体和珠光体组成,铝/钢激光焊接头的平均抗拉剪力达到最大,为94.2 N/mm,接头断裂呈韧性和准解理的混合型断裂模式。铝/钢接头界面生成一定的脆硬金属间化合物(IMC),主要由FeAl_2、FeAl和FeAl_3相组成。     

不锈钢/铝合金异种金属激光-MIG熔钎焊工艺研究

分别采用激光-MIG复合焊和单MIG焊,实现了2mm厚的304不锈钢和6061铝合金对接接头的熔钎焊,对比了不同焊接热源对接头显微组织、界面层化合物及力学性能的影响。结果表明,采用激光-MIG复合焊可以获得性能良好的不锈钢-铝对接接头。激光-MIG复合焊接头的界面层化合物为FeAl_2和Fe_4Al_(13),厚度约为5μm;而单MIG焊接头的界面层化合物厚度约为3μm,主要为Fe_4Al_(13)。激光-MIG复合焊接头的抗拉强度为105MPa,比单MIG焊接头提高了10.8MPa,达到铝合金母材的33.9%。接头试样拉伸断裂均起裂于钎焊界面处,并向余高处扩展,且由脆性断裂转变为韧性断裂。     

汽车用铝钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头组织及界面特征研究

随着轻量化技术的发展，镀锌钢板与铝合金等异种金属连接在现代汽车工业中的应用越来越多，回抽式无匙孔搅拌摩擦点焊具有热输入低、焊缝晶粒细小、接头力学性能高等优点，在铝合金等轻金属焊接领域具有很大的优势。本工作使用回抽式搅拌摩擦点焊技术，成功实现了0.7 mm厚的镀锌钢板与2 mm厚的铝合金板的无匙孔搅拌摩擦点焊连接。在不同的焊接转速下，对铝钢异种金属进行无匙孔搅拌摩擦点焊实验研究，分析了无匙孔搅拌摩擦点焊接头的剪切性能、断口形貌、各区微观组织、界面区特征及连接机理。研究结果表明，转速为1 200 r/min、压入量为0.2 mm、焊接时间为15 s时焊接接头最佳，具有最好的力学拉伸性能，断裂位置为热机影响区；通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对接头的微观形貌以及断口形貌进行观察分析发现，在搅拌区接头界面形成了约6μm厚的金属间化合物，为AlFe₃、Al₁₃Fe₄、AlFe；各位置处金属间化物的形貌与厚度不同，断裂方式为混合断裂机制，界面处的连接为机械结合和冶金结合两种接合方式。     

Ti/Al异种金属微电阻点焊接头力学性能及显微组织

目的 对0.2 mm厚的TC4和2A12薄板进行微电阻点焊研究,并确定最佳工艺参数。方法 通过测量接头剪切强度以及观察接头横截面形貌,研究工艺参数对接头拉剪力的影响,采用扫描电子显微镜(SEM)对点焊接头的连接特征及断裂行为进行深入研究,借助金相显微镜对接头微观组织进行分析。结果 焊接时间对接头的抗拉剪力没有显著影响,当焊接电流为4.2 kA,电极压力为110 N,焊接时间为10 ms时,取得最大剪切强度125.82 N。接头有两种断裂方式,分别为沿熔核中心断裂和纽扣状断裂。沿熔核中心断裂的断口呈现脆性断裂的特征,钮扣状断裂的断口熔核中心处呈韧性断裂特征,其热影响区呈脆性断裂特征。结论 实现了Ti/Al薄板的微电阻点焊,并通过改变工艺参数获得良好的剪切性能。观察焊缝的显微组织发现,远离熔核中心、靠近铝母材侧的区域,由于铝侧母材散热较好,组织为等轴晶以及细小的柱状晶,晶粒较小。靠近熔核中心的区域为组织较为粗大的柱状枝晶。     

电弧电流对AZ31B/DP980激光诱导电弧焊接接头成形及力学性能的影响

采用激光诱导钨极惰性气体保护(tungsten inert gas, TIG)电弧焊接技术,在未添加任何夹层和镀层的条件下,通过优化工艺,获得了AZ31B镁合金和DP980高强钢高质量搭接焊接头,重点研究TIG电弧电流对焊接接头成形和力学性能的影响规律。结果表明：电弧电流的增大会提高镁合金在高强钢的润湿铺展能力,提升焊缝宽度的同时减小润湿角。镁合金/钢焊接接头的最大拉伸载荷随着电弧电流的增大先升高后降低,接头断裂模式由沿界面断裂转变为沿焊缝断裂。当TIG电流为80 A、激光功率为350 W时,焊接接头最大平均拉伸载荷达到279 N/mm。焊缝宽度和界面层厚度的增大以及激光匙孔的钉扎作用共同提升了镁合金/钢的接头性能。     

钢/铝CMT接头熔合面积对接头抗剪强度及破坏模式的影响

针对低碳镀锌钢板与6061铝合金CMT熔钎焊接头熔合面积对其抗剪强度和破坏模式的影响进行研究。结果表明:熔钎焊过程中,随着焊枪相对于搭接接头中心线偏移量的增大,接头的熔合面积逐渐减小,润湿角增大,进而导致接头的抗剪强度逐渐减小,接头的断裂位置由铝熔合区破坏向钢/铝界面层破坏转变。根据实验结果,考虑界面层的失效判据,建立CMT接头拉剪过程的数值模型,讨论熔合面积影响接头抗剪强度及破坏模式的原因。     

铝合金薄板搭接高速 FSW 缺陷及断裂行为

目的 为了拓展搅拌摩擦焊技术应用,对薄板搭接结构高速搅拌摩擦焊工艺优化与工程应用提供 借鉴与指导。方法 采用圆锥无螺纹搅拌针,进行了 6061 铝合金薄板搭接高速搅拌摩擦焊接,对接头界 面缺陷及其断裂模式进行分析,探讨了转速对 6061 铝合金薄板搭接接头成形及性能的影响规律。结果 发现在无螺纹圆锥搅拌针、高转速（6000~9000 r/min）条件下,接头塑性金属在后退侧易形成飞边流出, 导致下板前进侧出现孔洞缺陷,且随转速增大,界面缺陷尺寸逐渐增大,当转速达到 10 000 r/min 时, 孔洞尺寸有所减小,此时接头拉剪强度最高,为 123 MPa。对试样拉剪断裂位置分析发现,高速搭接接 头断裂位置主要有两种,分别断裂在结合界面处或在前进侧下板,且转速在 9000 r/min 以上越趋向于在 结合界面断裂。结论 高转速搭接焊接必须协调轴肩相貌、焊接工装约束等条件,保证接头塑性金属充 分流动而不流失,才能获得成形良好无缺陷的接头。     

6016-T4铝合金与镀锌IF钢搅拌摩擦焊接头的组织与性能

采用搅拌摩擦焊接对1.2 mm厚的6016-T4铝合金和1.0 mm厚的镀锌IF钢进行搭接试验。通过对接头的力学性能和界面组织进行研究,发现在焊接速度为100 mm/min、旋转速度为800～2 000 r/min的条件下焊缝成形良好,表面无沟槽、孔洞等缺陷;当旋转速度为1 200 r/min时,接头的拉剪强度最高,达到172 MPa,为铝合金母材强度的82%;铝合金硬度值呈"W"型分布,最低值在接头两侧的热力影响区及其与热影响区的交界处,硬度最高值在接头的焊核区,达到69.1HV,镀锌IF钢硬度值呈倒"U"型分布,最高值在焊核区,达到192.3HV;在搅拌针和轴肩的共同作用下,铝和钢搭接接头的界面组织特征呈现机械连接+冶金连接的特点,在搅拌针作用区的两侧界面处各形成一个"钩子"状的结构,扎入铝合金基体中,形成机械连接,钢铝界面处生成的Fe-Al金属间化合物、Al-Zn化合物和Fe-Al的层状组织共同形成冶金连接。     

工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响

目的研究工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响。方法采用搅拌摩擦焊-钎焊方法,在不同焊接工艺参数下焊接2A12-T4铝合金和AZ31镁合金。结果当焊接速度为23.5mm/min、旋转速度为375 r/min时,焊接接头的抗拉剪力达到最大,为5.5 kN,比搅拌摩擦焊接头的最大抗拉剪力的5.0 kN提高了10%。结论搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接的工艺参数会显著影响铝/镁异种金属接头力学性能,通过优化工艺参数能够获得力学性能优异的铝/镁异种金属焊接接头。复合焊接接头的抗拉剪力随着焊接速度的增大呈现先增大后减小的趋势。     

钛/铝异种合金脉冲激光焊接接头裂纹产生机理

目的 对0.8 mm厚的Ti6Al4V钛合金和2 mm厚的AA6060铝合金薄板进行脉冲激光焊接,分析异种轻合金激光焊接裂纹产生的机理及界面结合机理。方法 采用扫描电镜、EDS能谱以及显微硬度计等微观表征分析方法,对焊接接头的形貌特征、成分以及显微硬度进行分析,探索焊接接头处裂纹产生的原因。结果 钛/铝脉冲激光焊接性较差,接头存在严重的裂纹缺陷,裂纹多集中在焊缝与铝母材交界处以及焊缝中心区域位置,主要以热裂纹为主;接头焊缝可能存在大量的Ti-Al金属间化合物以及少量未熔的钛,其界面层主要成分推测为层状TiAl和外层锯齿状的TiAl3;接头整个焊缝区域的平均显微硬度为HV0.1420,其硬度水平远远高于焊缝两侧铝合金母材,也高出钛合金母材很多。结论 钛铝金属间化合物使钛铝焊接接头焊缝区脆性增大,另外接头焊缝区存在较大的组织应力、热应力、拉压应力、拘束应力等复杂应力,致使焊缝内存在较严重的裂纹缺陷。     

6009铝合金光纤激光-MIG电弧复合焊和光纤激光焊工艺对比研究

采用光纤激光-MIG 复合焊和光纤激光焊分别对6009铝合金进行焊接,研究两种焊接方式下焊接接头的成型性、显微组织、拉伸性能、显微硬度、断口形貌的不同。研究表明：激光电弧复合焊的焊接速度是激光焊接的3倍;相比于激光焊,激光电弧复合焊焊缝中心显微组织更加细小;接头的抗拉强度达到母材的63%以上,而激光焊接的抗拉强度仅仅只有母材的38%;显微硬度试验表明：复合焊存在软化区,而激光焊接几乎没有软化区;断口分析表明：复合焊和激光焊的拉伸断口都是典型的韧窝状态,但是复合焊接的韧窝更加均匀。     

Research on explosive welding of aluminum alloy to steel with dovetail grooves

In order to explore a new method for the explosive welding of aluminum alloy to steel, a 5083 aluminum alloy plate and a Q345 steel plate with dovetail grooves were respectively employed as the flyer and base plates. The parameters adopted in the explosive welding experiment were close to the lower limit of weldable window of 5083 aluminum alloy to Q345 steel. The bonding properties of 5083/Q345 clad plate were studied through mechanical performance tests and microstructure observations. The results showed that the aluminum alloy and steel plates were welded under the actions of metallurgical bonding and meshing of dovetail grooves. The tensile shear strength of 5083/Q345 clad plate met the requirements of the bonding strength of Al/Fe clad plate. The interfaces between aluminum alloy and the upper and lower surfaces of dovetail grooves were mainly welded through direct bonding, and discontinuous molten zone emerged in the local region; while the interface between aluminum alloy and the inclined surface of dovetail grooves was bonded by continuous molten layer. The brittle intermetallic compounds FeAl₂ and Al₅Fe₂ were generated at the bonding interfaces of 5083/Q345 clad plate. The fracture surface of the tensile specimen exhibited ductile and quasi-cleavage fractures.     

ZK60镁合金光纤激光焊接工艺参数及接头性能研究

目的 采用光纤激光对ZK镁合金进行焊接,分析焊接工艺参数对焊接接头性能的影响规律。方法 采用正交实验方法,在焊接过程中对焊接主要的工艺参数比如:激光的功率,焊接的速度,离焦量进行三因素三水平正交实验,采用拉力实验机对焊接接头进行抗拉强度测试,得到抗拉强度最大的工艺参数组合。对焊缝微观组织及断口形貌进行分析。结果 当激光功率为1 400 W、焊接速度为40 mm/s、离焦量为3 mm时,焊缝抗拉强度达到最高的308 MPa,达到母材抗拉强度的95%。结论 在合适的工艺条件下,光纤激光焊接过程中,如果热输入较低,焊接速度过快,导致熔池冷却速度非常快,同时细化了晶粒,提高焊缝接头的综合力学性能。     

水下搅拌摩擦焊对铝/铜接头组织与性能的影响

目的 采用搅拌摩擦焊,对比分析大气环境和水下环境下铝/铜接头的组织与性能,以期获得力学性能更优异的铝/铜焊接接头。方法 利用搅拌摩擦焊,在焊接速度为40 mm/min、旋转速度为1 000 r/min的条件下,分别在大气环境和水下环境下对厚度为9 mm的6061铝合金板和T2纯铜板进行焊接。然后,对铝/铜界面、焊核区进行扫描电镜及能谱分析,并对铝/铜界面及焊核区进行物相分析,确定产物相组成。最后,对铝/铜试样进行拉伸及硬度检测。结果 铝/铜接头均无裂纹、气孔等缺陷。铜颗粒弥散分布在焊核区,铝/铜界面形成金属间化合物层。水下搅拌摩擦焊下界面元素扩散距离明显变短,且金属间化合物厚度更薄。铝/铜接头的金属间化合物为AlCu和Al4Cu9。大气环境焊接下接头的抗拉强度为130.6 MPa,断裂方式为脆性断裂;水下焊接下接头的抗拉强度为199.5 MPa,断裂方式为韧性断裂。水下环境下的接头硬度值更高,其中热影响区的硬度最低值约为65HV。结论 水下搅拌摩擦焊铝/铜接头无裂纹、气孔等缺陷。组织上,水下搅拌摩擦焊的铝/铜接头界面元素扩散距离更短,硬脆的金属间化合物更少;性能上,水下搅拌摩擦焊的铝/铜接头强度更高,抗拉强度达到199.5 MPa,达到母材的74.4%。     

铝/钢异种金属的超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺

采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺实现了6061-T6铝合金以及QP980高强钢的搭接焊, 对比分析了有无超声作用下, 接头的宏观形貌、微观组织和拉伸剪切性能, 同时研究了超声振动对焊接载荷的影响。结果表明: 焊接前对母材施加超声振动, 可以起到软化母材的作用, 促进了材料的塑性流动, 扩大了铝/钢界面区和焊核区, 使更多的钢颗粒随搅拌针旋转进入铝合金侧, 在界面区边缘形成钩状结构, 进而提高了接头的失效载荷; 超声改变了FSW接头断裂位置和断口形貌, 提高了接头力学性能, 在本实验工艺参数范围内, 接头最大的平均失效载荷为4.99 kN; 当焊接速度为90 mm/min, 下压量为0.1 mm时, 施加超声振动使接头的平均失效载荷提高了0.98 kN, 拉剪性能提升28.24%;施加超声振动后轴向力F_z、搅拌头扭矩M_t和主轴输出功率分别下降2.46%, 6.44%和4.59%。     

6005A铝合金摆动激光焊接组织及力学性能研究

目的 优化铝合金摆动激光焊焊接接头组织结构,减少焊接缺陷,提高接头机械性能。方法 采用无摆动、三角摆动和无穷摆动3种模式对6005A铝合金进行焊接。采用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪对焊接接头的组织结构和元素分布进行表征;使用显微硬度计及拉伸试验机对接头进行力学性能测试;利用扫描电子显微镜分析拉伸断口的形貌特征。结果 与无摆动和三角摆动两种模式相比,无穷摆动模式下焊缝成形最佳,晶粒尺寸最小,元素分布最均匀,这得益于复杂的双向循环摆动设计对熔池产生的强烈搅动效果。无摆动、三角摆动、无穷摆动模式下焊核平均显微硬度分别为66HV、72HV、77HV;3种模式下接头平均抗拉强度分别为183.21、205.52、215.80MPa;断裂模式分别为解理断裂、解理断裂+韧窝断裂及韧窝断裂模式。无穷摆动模式同样显示出最佳的力学性能。结论 铝合金摆动激光焊接采用无穷摆动模式可以获得组织均匀细小、无焊接缺陷且综合性能优良的焊接接头,该模式十分适合铝合金材料的焊接。     

Comparative study on microstructure and mechanical properties of laser welded–brazed Mg/mild steel and Mg/stainless steel joints

A laser welding–brazing (LWB) technology using Mg based filler has been developed for joining Mg alloy to mild steel and Mg alloy to stainless steel in a lap configuration. Microstructure and mechanical properties of laser welded–brazed lap joints in both cases were comparatively studied. The results indicated that no distinct reaction layer was observed at the interface of Mg/mild steel and subsequently the interface was confirmed as mechanical bonding, whereas an ultra thin reaction layer with a continuous and uniform morphology was evidenced at the Mg/stainless steel interface, which was indicative of metallurgical bonding. The newly formed interfacial layer was indexed as FeAl phase by transmission electron microscopy (TEM) combined with energy dispersive spectroscopy (EDS). The average tensile–shear strength of Mg/mild steel joint was only 142 N/mm with typical interfacial failure, while that of Mg/stainless steel joint could reach 270 N/mm, representing 82.4% joint efficiency relative to the Mg alloy base metal. The fracture location of Mg/stainless steel joint was at Mg fusion welding side, suggesting the interface was not weak point due to the formation of ultra thin interfacial layer. The role of alloying elements in base metal and bonding mechanism of the interfacial layer were discussed, respectively.