焊接热输入对铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝形貌与接头性能的影响

系统研究了焊接热输入对双轴肩搅拌摩擦焊接头焊核区轮廓和拉伸性能的影响. 接头宏观组织形貌结果表明,随着焊接热输入因子的逐渐升高,双轴肩搅拌摩擦焊接头焊核区依次展现出“哑铃形”、“焊核变平”、“焊核凸出”轮廓. 焊核凸出是高热输入条件下双轴肩搅拌摩擦焊接头特有的一种物理现象,且往往伴随产生内部孔洞型缺陷. 焊核区轮廓形貌取决于双轴肩搅拌摩擦焊缝厚度中心沿径向向外运动的塑性金属流动场与热力影响区中部的相互作用. 拉伸性能结果表明,随着焊接热输入因子的逐渐升高,双轴肩搅拌摩擦焊接头拉伸性能呈现出逐渐下降的趋势.     

5A06铝合金搅拌摩擦焊工艺

对5A06铝合金进行搅拌摩擦焊(FSW),使用光学显微镜观察焊接接头不同区域的微观组织;用维氏硬度计测试焊接接头的硬度分布情况。结果表明：焊接接头受搅拌针的搅拌及轴肩产热作用表现出不同的流动和组织特征,可将其划分为4个区域,从两侧的基体到焊缝中心分别是母材区(BM)、热影响区(HAZ)、热机影响区(TMAZ)和焊核区(NZ);母材区的组织经过轧制处理呈现出拉长、粗大的现象;热影响区处晶粒受焊接热循环影响,晶粒尺寸与母材处相比有所长大,晶界也明显粗化;热机影响区组织的晶粒受机械搅拌的程度不同,由远及近呈现出由大到小的分布;焊核区的组织为细小的等轴晶,且焊缝底部的晶粒比顶部的晶粒细小;在前进侧,热机影响区与焊核区的分界线清晰,过渡区域狭窄;而在后退侧,热机影响区与焊核区的分界模糊,金属塑性流动性较差,过渡区域较宽;焊缝硬度沿横截面呈n形分布,前进侧硬度比后退侧高。     

5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能

采用不同的工艺参数对5083-OT与6005A-T6铝合金进行搅拌摩擦焊焊接。通过金相分析、XRD分析、拉伸性能等方法，研究焊接速度、轴肩直径及搅拌头偏移量等参数对5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响。结果表明：5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊界面无明显脆性金属间化合物生成；焊核区组织发生动态再结晶，形成细小的等轴晶组织；前进侧热机影响区受到的机械搅拌作用力大于后退侧，晶粒变形大于后退侧热机影响区；热影响区组织仅受到热循环的作用，晶粒有粗化现象；随着偏移量的增加，使得焊核区和后退侧热机影响区硬度值降低，最低值出现在6005A侧热影响区，其抗拉强度、屈服强度、延伸率均逐渐减小，当焊接速度为600 mm/min、轴肩直径为12 mm、偏移量为0 mm时接头性能最好：抗拉强度为245 MPa，屈服强度为165 MPa，延伸率为5.67%。     

2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚2219-T87铝合金进行了焊接.对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及断口形貌进行了分析.结果表明,焊核区为细小的等轴晶粒,晶粒尺寸远小于母材;热机影响区发生了弯曲变形;热影响区组织出现了明显粗化.前进边热机影响区和焊核区形成明显分界线,后退边相对模糊.搅拌摩擦焊对接头各区域沉淀相分布形态有重要影响.接头室温拉伸强度可以达到母材的70%以上.沿焊缝横截面的显微硬度的分布显示,硬度最低点位于后退侧热影响区区域,断裂位置位于后退侧热影响区处,接头的断裂形式为韧性断裂.     

双轴肩搅拌摩擦焊对7075铝合金组织和性能的影响

对7075铝合金双轴肩搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)焊缝的组织、力学性能和电化学腐蚀性能进行研究。结果表明:焊缝区从内到外依次为焊核区、热机影响区、热影响区和母材区,焊核区为细小的等轴晶组织,热机影响区为粗大的变形组织,热影响区为粗化的母材条带组织;由于晶粒的细化和机械加工硬化作用,整个区域硬度明显提高,但由于焊核后退侧存在不均匀的"混晶"组织,导致焊缝强度无明显提高,抗拉强度仅为267.84 MPa;垂直于焊缝方向表面的耐腐蚀性能优于平行于焊缝方向的表面,但焊缝区的耐腐蚀性能比母材差。     

2024铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构及力学性能

采用搅拌摩擦焊工艺实现3 mm厚的2024铝合金焊接,对接头搅拌区的组织结构及力学性能进行分析。研究表明,焊核区主要由再结晶和搅拌的双重影响而形成的细小等轴晶组织构成;热机影响区受焊核区剪切力及热循环的影响,晶粒大小不均匀并伴有晶粒变形的现象。力学性能分析表明,接头显微硬度分布特征与金相组织结构一致;当焊接速度为300 mm/min时,接头的抗拉强度达到294 MPa,为母材的69%,接头的断裂形式为韧窝和沿晶断裂特征的韧性和脆性断裂;接头的焊接残余应力以纵向应力为主,纵向残余应力峰值出现在前进侧轴肩作用的边缘处,焊接速度为300 mm/min时峰值达到164.5 MPa。     

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.     

5mm厚6063铝合金搅拌摩擦对焊焊缝组织分析

通过6063铝合全的搅拌摩擦焊试验,分析了其焊缝横截面组织的宏观形貌和金相图,并对焊缝进行横向拉伸性能试验.试验表明:带梯形螺纹的圆锥形搅拌针及凹端面搅拌头,能有效增加焊缝塑化材料的流动性,易于形成内部无缺陷的焊缝;焊缝横向组织可分为母材区、热影响区、热机影响区、焊核(动态再结晶区)等4个区域;焊核区塑性变形剧烈,组织为动态再结晶的细小等轴晶;热机影响区为回复晶粒组织,以大弯曲变形结构为特征;热影响区仅发生组织晶粒粗化现象,晶粒与母材相似,没有发生明显的塑性变形;各区之间的分界面明显,尤其是前进侧的焊核区与热机影响区的分界面,该分界面易于出现空洞和沟槽缺陷;焊接质量取决于诸多焊接工艺参数,可以通过工艺参数优化试验来找到最佳焊接参数匹配区间.     

铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力超声波法测量

开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置,在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转,内部搅拌针旋转,获得了无弧纹的搅拌摩擦焊缝表面。焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件,使用超声波焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量。测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大值可达母材抗拉强度的66%左右,应力峰值不低于弧焊,纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近,横向残余应力值低于纵向残余应力。     

铝-锂合金搅拌摩擦焊焊缝显微分析

针对某新型铝-锂合金搅拌摩擦焊接头进行了宏观、微观金相组织分析以及显微硬度试验和分析。试验结果表明,焊核区是由等轴细小的再结晶晶粒组成,轴肩影响区的晶粒形貌同焊核区的类似,只是晶粒尺寸略大一些,热机影响区呈现狭长、弯曲的晶粒组织,左右两侧形貌不对称,热影响区晶粒形状与母材的类似,但较母材的粗大。焊接接头硬度值基本成W型分布,硬度最大值接近母材平均硬度值的90%,出现在焊缝上部的轴肩影响区处,并且焊缝上部的硬度水平要比下部的高。最小值出现在热影响区,达到了母材硬度值的70%以上。另外,焊核区硬度较高的,达到了母材的83%以上,同时后退侧的硬度要比前进侧的高。     

2219-T4铝合金双轴肩FSW与常规FSW接头性能对比研究

对常规搅拌摩擦焊和双轴肩搅拌摩擦焊技术进行了比较,试验材料为6 mm厚2219-T4铝合金.对两种焊缝的微观结构、显微硬度和力学性能进行了测试.结果表明双轴肩焊缝的宏观形貌与常规搅拌摩擦焊焊缝的不同,呈哑铃型.且由于双轴肩焊接的热输入量较高,其接头的显微硬度和力学性能普遍低于常规搅拌摩擦焊接头.双轴肩搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达到常规搅拌摩擦焊接头的90%.     

35mm厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能

采用搅拌摩擦焊双面焊工艺,对35 mm厚板6005A-T6铝合金型材进行了搅拌摩擦焊接,获得成形良好、表面光滑、无隧道孔和沟槽缺陷的焊接接头.应用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及电子拉伸试验机等对搅拌摩擦焊接头组织与性能进行研究.结果表明,接头焊核区组织为细小等轴晶;前进侧出现明显的螺旋纹及清晰的结合线,热力影响区晶粒被明显拉长呈条状组织,热影响区受热晶粒粗大;后退侧未见螺旋纹,晶粒比前进侧细小,过渡区较前进侧宽.在搅拌头旋转频率为650 r/min,焊接速度为200 mm/min工艺条件下接头抗拉强度为213 MPa,达到母材强度的84.8%,断裂起始于焊缝前进侧的热影响区,扩展至双面焊接重合区时,沿着焊缝后退侧热影响区直至断裂;接头显微硬度最低值出现在前进侧热影响区,最低值为50 HV.     

汽车用2219铝合金搅拌摩擦焊组织性能研究及仿真分析

采用搅拌摩擦焊对6 mm厚汽车用2219铝合金进行焊接,研究了其焊接接头的组织与性能,并对其焊接过程进行了数值模拟。结果表明,焊核区的晶粒形态为细密微小的等轴晶,热机影响区的晶粒发生了较大的弯曲和变形,热影响区的微观组织粗大;T1沉淀相在热机影响区和热影响区内发生溶解并粗化,热机影响区的位错结构比焊核区和热影响区较为密集;焊接接头的硬度呈"W"形分布,焊核区和热机影响区的整体硬度范围在51~66 HV,热机影响区与热影响区的过渡区域的硬度值最低,为51 HV;纵向残余应力的分布是明显的双峰特征,在靠近焊缝中心线的附近主要表现为拉应力,最大值在热影响区的边缘,为147 MPa。     

7050-T7451铝合金FSW焊接接头组织及性能

针对6.4 mm厚的7050铝合金,采用搅拌摩擦焊(FSW)进行焊接试验,观察焊接接头的显微组织,并测定其力学性能。结果表明:焊接接头宏观上呈V字状,焊核区组织为细小的等轴晶,热影响区组织稍有粗化现象,前进侧和后退侧的热机影响区组织均较焊核区的组织粗大;焊接接头显微硬度分布呈现出"W"形变化,焊核顶部、中部、底部3个部分的硬度总体上都呈现出"高-低-高-低-高"的分布趋势;焊接接头的平均抗拉强度为435MPa,达到了母材抗拉强度的89%,断裂位置均发生于焊接热影响区及热机影响区的过渡区,焊接接头的断裂模式为韧性+脆性的混合断裂。     

Q235钢板与6082铝合金搅拌摩擦焊工艺

通过对Q235钢板和6082铝合金进行搅拌摩擦焊接,并用正交试验对搅拌摩擦焊工艺参数进行优化. 结果表明,焊接过程中,将钢板放在返回侧,铝板放在前进侧[1],离搅拌针较近的钢侧金属发生软化,并且在轴肩横向切应力作用下形成短"钉子",最终在搅拌针的旋转作用下填充到搅拌针后方形成的空腔内,当下压量为0.2 mm时,比较容易得到优质的焊缝;搅拌针旋转速度为260 r/min,焊接速度为16 mm/min,针头偏向铝侧0.2 mm时,所得焊缝的抗拉强度为141.204 MPa,断裂发生在铝侧焊核区与热力影响区的交界处;钢侧热机影响区的硬度比母材高,而铝侧热机影响区比母材低.     

6063-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织及力学性能分析

对4 mm厚6063-T6铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊接试验. 结果表明,双轴肩搅拌摩擦焊可以实现6063-T6铝合金的焊接,得到表面成形良好且内部无缺陷的接头. 接头宏观形貌为哑铃状,其微观形貌分为焊核区、热力影响区、热影响区及母材区. 在搅拌头转速为1 200 r/min,焊接速度为400~700 mm/min的工艺区间内,接头强度呈先升高后降低的趋势,最高可达181.64 MPa,为母材的68.5%,硬度分布呈W状分布,接头断裂位置位于前进侧热影响区,断裂方式为韧性断裂.     

高速列车铝合金车体枕梁搅拌摩擦焊接头残余应力分布特征

采用超声波法对铝合金枕梁部件搅拌摩擦焊(FSW)接头和熔化极气保护焊(MIG)接头分别进行了残余应力测量。结果表明,FSW固相焊接头的纵向应力和横向应力均为拉伸残余应力,其中纵向应力水平远高于横向应力。纵向应力在FSW焊缝两侧呈不对称分布特征,在搅拌头的前进侧应力值较高,而在返回侧应力值较低,最高应力位于前进侧的轴肩作用边缘处。MIG熔化焊接头在焊缝及近缝区的纵向应力和横向应力也为拉伸残余应力,且在MIG焊缝两侧呈对称分布特征,其中纵向应力高于横向应力,最高应力位于焊缝及热影响区。     

焊后热处理对高强铝合金搅拌摩擦焊接头的影响

对航空用厚5 mm的7075铝合金搅拌摩擦焊试样热处理前后的焊缝微观组织及性能进行研究.结果表明:当搅拌头旋转速度为600 r/min、焊接速度为60 mm/min时,接头抗拉强度达到381 MPa,是母材强度的84.6%;焊核区由6～7μm等轴晶组成;经热处理后接头抗拉强度达到415 MPa;硬度的最低处在前进侧热机影响区:断口的微观形貌具有强化相的韧窝特征,且断裂儿乎发生在前进侧的热机影响区;7075铝合金搅拌摩擦焊接头的薄弱点在热机影响区.     

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊组织演变与力学性能

通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机和显微硬度计对6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝区组织演变和力学性能进行分层研究. 结果表明,在焊核区上层,材料发生塑性变形,晶格畸变能增加,为降低能量,大量的位错集聚成亚结构边界发生动态回复. 同时在焊接热循环的作用下发生动态再结晶,导致焊缝区上层晶粒细小. 在焊核区下层,主要受到搅拌针搅拌作用,轴肩产热通过扩散过程传递到下层的热量减少,发生动态回复和动态再结晶程度低于焊缝上层,晶粒粗大. 前进侧和后退侧热影响区均出现棒状β′沉淀相. 对应焊缝上、下两层硬度都呈“W”形分布,焊缝上层硬度高于焊缝下层硬度,最小值出现在前进侧. 沿着焊缝长度方向上层和下层的抗拉强度分别为205,186 MPa,呈降低趋势,为韧性断裂.     

7A52铝合金厚板搅拌摩擦焊

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为25 mm的7A52铝合金板进行了单道焊实验。结果表明:在焊接25 mm板时,工艺参数可调范围较窄,在旋转速度为1 500 r/min,且焊接速度为40 mm/min时,可以获得较好的焊接性能,抗拉强度可以达到330 MPa,延伸率可以达到9.6%;焊缝中存在3个组织变化区,其中焊核区内是细小均匀的等轴晶,平均晶粒大小在4μm左右;焊缝两侧热机影响区组织存在较大差异,前进侧为窄条状组织,回退侧为扁平块状组织;热影响区组织发生了回复、再结晶和粗化;焊缝显微硬度的最低值出现在前进侧,说明前进侧是焊缝的薄弱环节;厚板焊接时,沿板厚方向的热机作用梯度过大,造成焊缝金属难以获得优良焊接性能,这是厚板焊接较困难的原因。