异种材料填充式搅拌摩擦点焊研究

介绍了填充式搅拌摩擦点焊技术发展现状及国内外工程化应用现状,对异种材料铝和钢的填充式搅拌摩擦点焊性能进行探索研究,对高强点焊搅拌工具进行了研究。以铝合金中6061-T6和不锈钢中0Cr18Ni9Ti为研究对象,对2 mm试件进行填充式搅拌摩擦点焊连接,对点焊接头进行了显微组织、抗剪切性能等测试。试验结果表明,点焊接头性能较好,为后续工程化应用奠定了基础。     

铝锂合金填充式摩擦点焊工艺

以5A90铝锂合金搭接接头为研究对象,进行了不同工艺参数下的填充式摩擦点焊试验,并对点焊接头进行了剪切试验、十字拉伸试验,在此基础上对典型接头微观组织结构进行了金相分析和横截面显微硬度测试.结果表明,采用填充式摩擦点焊技术焊接1.5 mm壁厚铝锂合金搭接接头在旋转频率1800 r/min、焊接时间1.5 s左右可获得良好的抗剪能力;十字拉伸强度对于焊接工具旋转频率、下压量不敏感,但随焊接时间的增加而增加;对接头横截面进行金相观察发现,焊点与母材的竖直连接界面为连接薄弱区域,接头横截面显微硬度分布表明,在焊点中心附近水平连接面具有较低的硬度分布.     

铝锂合金填充式摩擦点焊微观组织演化

利用光学显微镜、扫描电镜、电子背散射衍射(EBSD)等手段对5A90铝锂合金填充式摩擦点焊接头各个区域的微观组织进行了分析.结果表明,焊核区发生完全动态再结晶,由细小的等轴晶组成,底部存在晶粒更加细小的细晶带,焊核区晶粒分布无明显织构.热力影响区发生了部分再结晶,由发生再结晶的等轴晶以及发生部分回复的变形晶粒组成,具有较多的变形组织特征;热力影响区与焊核区存在明显的分界面,分界面由尺寸明显小于周围晶粒的细晶组成,晶界较为密集.     

镁/铝合金回填式搅拌摩擦点焊的组织与性能

选用5083铝合金和AZ31B镁合金为研究对象,研究焊接时间对异种合金回填式搅拌摩擦点焊接头的金属间化合物层和拉剪性能的影响.结果表明,当焊接时间为1 s时,Mg合金的流动性较差,接头中出现明显的孔洞缺陷;随着焊接时间的变长,孔洞缺陷消失.由于铝镁表面的氧化膜在焊接过程中被打碎且焊接温度高于铝镁的共晶温度,接头中心会形成一层液相层,焊后液相层凝固形成金属间化合物.接头的抗拉载荷随着焊接时间的延长先升高后降低,最优载荷在焊接时间为2 s时取得,为3.1 kN.     

6061-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊疲劳性能分析

对6061-T6铝合金点焊接头进行单点疲劳试验,确定6061-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊的疲劳断裂原因,得出6061-T6铝合金的S-N曲线以及条件疲劳极限.通过对载荷水平为1.5 kN的6061-T6 RFSSW疲劳试样进行金相分析以及断口扫描分析,得到了6061-T6铝合金疲劳断裂原因以及疲劳断口特征.结果表明,6061-T6点焊接头中的钩状缺陷和上下板结合处缺口尖端的应力集中是造成疲劳破坏的主要原因,疲劳裂纹始于上下板搭接处焊点的钩状缺陷外边缘,即缺口尖端处;在焊接过程中,应通过优化工艺参数尽量减小钩状缺陷的尺寸以及降低缺口处的应力集中,从而提高焊点的疲劳寿命.     

搅拌摩擦点焊疲劳性能研究

使用回填式搅拌摩擦点焊设备,对6系列铝合金弧焊焊接接头进行了搅拌摩擦点焊补焊试验,点焊补焊后试样表面平整光滑。对搅拌摩擦点焊补焊、MIG焊焊接接头进行了疲劳性能试验,研究发现,搅拌摩擦点焊补焊接头的疲劳寿命高于MIG焊焊接接头,断口组织更为致密。     

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。     

2024铝合金电阻点焊与回填式搅拌摩擦点焊接头组织和性能

为了研究铝合金材料回填式搅拌摩擦点焊搭接接头与电阻点焊搭接接头的性能差异,采用2024铝合金材料分别开展了回填式搅拌摩擦点焊以及电阻点焊焊接试验。针对采用不同焊接方法获得的焊接接头的微观组织结构、显微硬度以及十字剥离强度进行了分析与对比研究。结果表明,2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头相对于电阻点焊接头,焊点形貌更加美观,可获得小尺寸的等轴细晶组织,不存在柱状晶组织结构,焊接接头力学性能明显提高,体现出了该焊接方法的技术优越性。     

国内外搅拌摩擦点焊的研究进展

搅拌摩擦点焊（FSSW）是在搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固相焊接技术,因其接头质量高、缺陷少、绿色节能等众多优点而将成为替代轻合金传统点连接技术的最佳工艺,各国焊接界也纷纷对其开展大量研究工作。本文主要介绍了目前搅拌摩擦点焊最新的焊接方法及原理,并论述了近年来国内外在搅拌摩擦点焊领域的最新研究动态。     

回填式搅拌摩擦点焊研究

综述了回填式搅拌摩擦点焊(R-FSSW)的研究现状,主要涉及焊具结构及工作原理、焊点形貌与焊接缺陷、微观组织与焊接热循环、焊点力学性能等几方面的内容,详细阐述了现有的研究成果,提出了目前研究的不足之处,明确了进一步研究的方向。     

异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊缺陷及力学性能

采用回填式搅拌摩擦点焊技术对2 mm厚5052-H112与2024-T4铝合金进行了成功的连接.试验结果表明,当焊接工艺参数选择恰当时,可得到无缺陷接头;然而,焊接工艺窗口较窄,在高热输入条件下易产生多种缺陷,如粘连韧带、孔洞、裂纹、弱连接等,且这些缺陷主要分布在两板的结合面及焊具退出工件的退出线上;力学性能测试结果表明在低热输入条件下,接头的力学性能（一字拉伸与十字拉伸）最高,这与焊点在低热输入情况下组织缺陷较少有关;在一字和十字拉伸载荷作用下,接头的失效位置位于两板结合面及退出线上,在结合面处形成了有效的冶金连接.     

回填式搅拌摩擦点焊的研究进展

回填式搅拌摩擦点焊技术(RFSSW)是一种新型的固相点焊技术,它既拥有与搅拌摩擦焊(FSW)相同的效率高、能耗少、易操作和污染少等优点,又可消除匙孔,因此在航空、航天和汽车制造领域中有着广阔的应用前景。自发明以来,回填式搅拌摩擦点焊技术已被应用于各种铝合金、镁合金以及异种材料的焊接。文中综述了回填式搅拌摩擦点焊的研究进展,主要涉及回填式搅拌摩擦点焊的基本原理以及回填式搅拌摩擦点焊接头常见的缺陷、显微组织、力学性能,以及同、异种材料的回填式搅拌摩擦点焊工艺等内容,可对实际工程应用中提高回填式搅拌摩擦点焊接头性能以及合理选择回填式搅拌摩擦点焊工艺参数提供一定的借鉴作用。     

回填时间对RFSSW接头断裂行为的影响

为研究回填时间对回填式搅拌摩擦点焊接头断裂模式和断裂机理的影响,对上下板厚度分别为1.5 mm和2 mm的LY12铝合金板材进行了点焊试验,并对焊后接头进行拉剪试验.结果表明,当回填时间较短时,套筒作用区与热力影响区间界面上的原子扩散效果差,甚至在近表面附近出现开裂,导致接头的剪切-塞型断裂.当回填时间足够长时,焊接接头的断裂模式转化为剪切断裂,裂纹主要沿着上下板搭接面扩展.同时,显微结构、硬度与断口形貌的试验结果验证了文中对断裂机制的解释.     

异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊的组织与性能

选用6061-T6与7075-T6铝合金为研究对象,研究异种合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织和拉剪性能. 将7075铝合金作为上板,主要讨论套筒下扎深度对接头成形和性能的影响. 结果表明,当套筒刚扎透上板时,接头内部无缺陷产生. 随着套筒下扎深度的增大,接头内部会出现孔洞、撕裂和未充分回填等缺陷. 当使用较小的套筒扎入量时,决定接头性能的关键位置,即钩状缺陷处和焊点中心搭接面处的结合情况良好. 接头的断裂载荷随着套筒下扎深度的增大先增大后减小,最大载荷在深度为3.4 mm时达到7 236 N.     

回填式搅拌摩擦点焊过程的材料流动规律模拟

利用流体力学软件ANSYS FLUENT模拟了回填式搅拌摩擦点焊过程的材料流动行为,着重分析了搅拌头旋转速度与回填速度对材料流动的影响规律并加以试验验证.模拟结果表明,材料的流动速度随着到套筒内外壁距离的增加而减小,流动速度最大值出现在套筒端面的外壁处.在套筒内部,流动速度最小的材料位于焊点的中心处,此处的材料流动状态可通过增加旋转速度进行改善;从扩大焊点有效面积的角度来讲,增加搅拌头的旋转速度优于增加回填速度.上述规律得到了试验验证.     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊组织及力学性能分析

采用回填式搅拌摩擦点焊技术对7075-T6铝合金进行了点焊试验.对接头进行了显微组织、显微硬度、剪切和十字形拉伸测试.结果表明,接头显微组织可分为焊核区、热力影响区、热影响区及母材;在焊缝中发现了钩状缺陷、孔洞、未焊合、未完全回填及粘连韧带等缺陷;焊缝区显微硬度呈W形分布,焊点中心呈V形分布;在旋转频率为1 400 r/min,焊接时间为4s时,接头的抗剪强度达到最大值125.6 MPa,为母材强度的39.6％;接头的十字形拉伸载荷随工艺参数的变化规律比较复杂,最大十字形拉伸强度可达43.9 MPa.     

Fatigue behavior of friction stir spot welded AZ31 Mg alloy sheet joints

The fatigue behavior of friction stir spot welded (FSSW) AZ31 magnesium alloy sheet joints was investigated by tension–compression of fatigue test. The results suggest that all the fatigue failures occur at the stir zone of the FSSW AZ31 sheet joints, and all cracks initiate at the stir zone outer edge between the upper and lower sheet. When the cycle force equals 1 kN, the crack propagates along the interface of heat-affected zone and thermo-mechanical zone, simultaneously across the direction of force; while the cycle force equals 3 kN, the crack propagates along the diameter of stir zone and shear failure occurs finally. Moreover, the transverse microsections indicate that there is a tongue-like region at the outer edge of stir zone between the two AZ31 sheets, and the direction of tongue-like region is toward outside of the stirred zone and all fatigue cracks initiate at the tongue-like region.     

Microstructure and mechanical behaviour of pinless friction stir spot welded AA2198 joints

In this study, pinless friction stir spot welding of 1.8 mm thick 2198-T8 aluminium–lithium alloy plates was carried out. The change of the angle between the nugget edge and the surface, and the relationship between this angle and joint mechanical property were analysed. The results show that the angle increases rapidly initially and then approaches 45°, which is due to the extrusion of nugget material and its flow along the surrounding ‘cold’ metal during welding. The tensile strength is determined by the nugget edge angle and hook defect. Tensile loads reach a higher value when the nugget edge angle approaches 45° but have a slight decrease with the hook angle changing from obtuse to acute. The maximum tensile/shear strength could be 8.57 kN at the rotation speed of 1500 rev min^??1 and the dwell time of 12 s.     

6016-T4和5182-O铝合金回填式搅拌摩擦点焊力学性能研究

利用回填式搅拌摩擦点焊(FSSW)技术焊接6016-T4和5182-O异种金属接头,研究其显微组织及力学性能。以剪切拉伸性能为评价指标,得出最优工艺参数是:下压深度1.5 mm,旋转速度2200 r/min,焊接时间2.5 s,平均剪切力2 950 N。疲劳极限载荷F=296 N,疲劳断裂时裂纹起源于上下板搭接处,同时向板厚和板宽方向扩展。接头显微组织中没有铸态的柱状晶,均为等轴晶和较母材晶粒略有长大的组织,接头性能良好。