铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷及焊件结构问题控制策略的研究进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是近些年发展起来的一种固态连接工艺,尤其适用于铝合金材料的焊接。概述了搅拌摩擦焊的局限性,主要包括接头处存在钥匙孔、焊缝减薄等缺陷及复杂结构铝合金难以焊接等问题。研究表明,通过工艺方法、流程及参量的优化能够对焊接接头缺陷和焊件结构问题进行有效控制。由此,归纳了铝合金搅拌摩擦焊接头存在的关键问题及解决策略,分析了每种工艺方法的适用对象及条件,包括摩擦塞焊(Friction Plug Welding,FPW)、填充式搅拌摩擦焊(Filled Friction Stir Welding,FFSW)、回抽式FSW、静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welded,SSFSW)、沉积式FSW、双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding,BT-FSW)和无倾角FSW。详细探讨了每种工艺的原理和机制,阐述了每种工艺的优缺点,重点介绍了工艺的参数优化调控、辅助设备的添加及工序的改进对修复接头组织与力学性能的影响。对铝合金搅拌摩擦焊的回顾总结,将为获得高质量搅拌摩擦焊接头,实现复杂结构件焊接提供参考依据。在此基础上,对铝合金搅拌摩擦焊现存问题及挑战的解决进行了展望。     

飞机铝合金型材结构FSW焊接

提出了搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding,FSW）技术的3个基本要素,对铝合金型材FSW焊接件在航空结构中的几个典型应用进行了分析.并简要介绍了中国搅拌摩擦焊中心在铝合金型材搅拌摩擦焊接方面的研究成果.中国搅拌摩擦焊中心的研究表明,采用搅拌摩擦焊技术焊接铝合金能够得到比较满意的接头强度.     

搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)于1991年开发的专利技术。文中对搅拌摩擦焊工艺进行简单介绍并对研究现状做了比较详尽的总结，涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况及“洋葱”圆环的形成机理、适用母材、接头微观组织、力学性能、焊接工具、复合焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域，并展望FWS的发展前景。     

转速对水下搅拌摩擦焊接铝合金组织性能的影响

采用水下搅拌摩擦焊接技术(SFSW)对2024-T4铝合金板材进行连接,研究了转速对SFSW接头焊核区析出相形貌和显微硬度的影响。结果表明:循环水冷具有明显的瞬时快冷作用,SFSW接头焊核区S-Al2CuMg相在热循环作用下发生析出长大。随着转速的提高,析出相的数量逐渐增多,且尺寸增大。S相粗化是导致焊核区显微硬度随转速增大而降低的主要原因。     

焊接参数对7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

使用搅拌摩擦焊(FSW)设备,采用不同搅拌针转速和焊速对厚6 mm的7075高强铝合金平板进行对接试验,并对不同焊接工艺下的接头进行微观组织观察和力学性能测试。研究结果表明:7075铝合金FSW接头由焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BMZ)组成;随着搅拌针转速的增大,接头中焊核区的晶粒越大;随着焊速的增大,接头中焊核区晶粒越细小;不同工艺参数下的FSW接头显微硬度分布曲线都呈W形。随着转速的提高和焊速的减小,接头显微硬度升高,但波动范围较小;随着转速和焊速的提高,接头抗拉强度先降低后提高;转速为400 r/min,焊速为120 mm/min时,接头抗拉强度最高,为417 MPa,是厚6 mm的7075铝合金FSW最佳的工艺参数。     

转速对2024-T4铝合金水下搅拌摩擦焊接接头组织与性能的影响

采用水下搅拌摩擦焊接技术(Submerged friction stir welding,SFSW)对2024-T4铝合金板材进行连接,研究搅拌头转速对SFSW接头焊接温度场、焊核区析出相形貌以及接头力学性能的影响。结果表明:循环水冷介质具有明显的瞬时快冷作用;随着搅拌头转速从600 r/min增大到1 180 r/min,SFSW接头焊接温度场峰值由271.0℃增大到310.8℃;焊核区析出相在热循环作用下析出并长大。析出相的数量逐渐增多,尺寸增大;SFSW接头焊核区显微硬度平均值由117.5HV降低至99.2HV、抗拉强度和伸长率分别由403.3 MPa和3.24%降低至334.5 MPa和1.44%。     

7003-T7铝合金的搅拌摩擦焊接头组织与性能

采用金相显微镜、布氏硬度计和万能试验机等手段,实验研究7003-T7铝合金的搅拌摩擦焊焊接接头的组织与性能。实验结果表明:搅拌摩擦焊焊接接头组织焊核区和热机影响区前进侧分界明显,后退侧相对模糊。由于焊接搅拌针机械搅拌的作用,使焊核区表现为细小的等轴晶组织,其晶粒尺寸小于8μm。焊接接头组织中,母材的硬度值为HB97,焊核区的硬度值为HB110,热影响区最低处的硬度值为HB84,焊接接头性能系数为86%。     

7075铝合金搅拌摩擦焊研究

使用搅拌摩擦焊对8mm厚的7075-T7351铝合金进行了单道平板对接。结果表明,在工艺参数为搅拌头旋转速度为1180r/min、焊接速度为37.5mm/min时,可获得较好的接头,抗拉强度达到390MPa,是母材强度的78%;7075-T7351铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织为典型的搅拌摩擦焊接头组织,焊核区为细小的等轴晶,晶粒大小为6~7μm,母材组织中的强化相在此区域消失;接头显微硬度值分布趋势沿焊缝中心两侧基本对称,热机影响区-热影响区过渡区及焊核区硬度低于母材,是焊件的薄弱环节。     

42 mm厚6082-T6铝合金双面搅拌摩擦焊工艺研究

针对板厚为42 mm的6082-T6铝合金型材进行了双面搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)。焊后对接头进行了渗透(PT)、射线(RT)和超声波(UT)检测,并应用光学显微镜、显微硬度仪、电子万能拉伸试验机分别进行了金相分析、显微硬度分析、拉伸和弯曲力学性能测试。结果表明:在转速为600 r/min,焊速为120 mm/min的焊接工艺参数下,获得了表面成形美观、无缺陷的双面FSW接头,接头的抗拉强度达239 MPa,为母材的67.3%,接头拉伸断裂发生于前进侧热力影响区与热影响区的结合处,拉伸断裂方式为韧性断裂,接头弯曲到180°不发生断裂。     

异种铝合金零倾角搅拌摩擦焊接头组织性能研究

采用零倾角搅拌摩擦焊工艺对6061T6和2024T4铝合金进行焊接,研究了不同焊接速度焊接接头的组织和力学性能。结果表明：零倾角搅拌摩擦焊接接头截面中部为焊核区,两侧为热机械影响区、热影响区和母材,焊核区可见明显的“S”线。接头的母材组织为长条状α铝晶粒,焊核区为细小的等轴晶,热机械影响区呈弯曲变形的晶粒,热影响区组织与母材组织类似。接头截面硬度分布呈“W”形,最低硬度位于热机械影响区和热影响区结合处。随着焊接速度的增大,焊核区硬度值呈增大趋势,同时接头软化区范围逐渐缩小。接头的抗拉强度随着焊接速度的增大呈先增后减的趋势,而伸长率却呈现逐渐降低的趋势。焊接速度为900 mm/min时的强度最高,为263.62 MPa,接头断口为典型的韧窝状断口。     

2024-T4铝合金水下搅拌摩擦焊接研究

分别在空气和循环水冷条件下对2024-T4铝合金板进行搅拌摩擦焊接(friction stir welding,FSW),研究了水冷介质对FSW接头组织性能的影响.结果表明:循环水冷介质具有明显的瞬时快冷作用,水冷介质下FSW可以显著细化晶粒,并抑制焊核区析出相的生长,焊核区的平均晶粒尺寸达到700 nm,析出相尺寸达到30～200 nm.水冷介质减弱了FSW接头的热软化效应,改善了接头的组织和性能,使焊核区HV显微硬度值提高了234 MPa,接头抗拉强度提高了52.2 MPa,但试样延伸率有所下降.     

焊接参数对7A04铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响

采用不同的焊接参数对3 mm厚7A04铝合金板进行焊接,并对接头的组织、沉淀相、力学性能及断口形貌进行了分析. 结果表明,焊核区组织发生动态再结晶,形成细小的等轴晶粒,热影响区晶粒发生明显粗化. TEM分析结果显示,经搅拌摩擦焊后,焊核区部分沉淀相溶解. 焊核区晶粒尺寸随焊接速度增大而减小. 当焊接速度为120 mm/min,旋转速度为800 r/min时,接头强度达到最大值 454.2 MPa,为母材的95%,断后伸长率为3.97%,为母材的70%. 硬度测试显示搅拌摩擦焊接头发生软化,焊缝区域硬度低于母材,硬度值最低点出现在热影响区;拉伸断口形貌SEM图像表明接头断裂方式为韧性和脆性混合型断裂.     

超声振动对6061-T4铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

利用自主研制的试验装置,通过工具头将超声振动能量施加在搅拌头前方的待焊工件上,研究了超声振动能量对减少焊接缺陷、改善搅拌摩擦焊接头组织和力学性能的影响.对6 mm厚度6061-T4铝合金板进行了超声振动强化搅拌摩擦焊工艺试验,并与相同工艺条件下的常规搅拌摩擦焊进行了对比.结果表明,超声振动能够减小焊速/转速比较大时的焊缝内部隧道型缺陷,增大材料对接混合区宽度和焊核区体积,细化焊核区和热力影响区微观组织,提高接头抗拉强度和焊核区显微硬度.     

热源同轴辅助搅拌摩擦焊工艺特性分析

研究了激光同轴辅助搅拌摩擦焊中激光/搅拌摩擦焊的热量分配对不同系列铝合金焊缝成形、接头力学性能及显微组织的影响,并得到了相应的优化能量分配条件.结果表明,加入激光辅助热源可有效扩大工艺参数窗口,特别是流动性差的5A06和2219铝合金,焊接速度可提升30%以上.激光辅助热源对6061及5A06铝合金焊接接头性能影响较小,对2219铝合金搅拌摩擦焊接头的性能影响明显,焊接热输入增大后,接头性能下降,但总得来说,加入激光辅助热源能够在更小的焊接热输入下获得更高的接头性能.     

转速对6061铝合金/纯铜异种金属搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

采用搅拌摩擦焊技术对4 mm厚6061-T6铝合金和纯铜进行连接,研究转速对铝铜异种金属接头组织与力学性能的影响。结果表明,当焊接速度为30 mm/min、搅拌头转速在1 200~1 800 r/min的范围内,可以获得表面成形良好、无缺陷的铝铜异种金属接头。大量破碎的铜被搅入焊核区,形成了组织结构复杂的区域。通过EDS和XRD分析,在焊核区内发现了Al_2Cu、Al_4Cu_9和Al Cu金属间化合物。在界面处,铝和铜发生相互扩散形成金属间化合物层,随着转速的提高,化合物层逐渐变厚。由于晶粒细化、固溶强化作用以及金属间化合物的生成,异种接头的焊核区平均显微硬度值高于铝铜两侧平均硬度,并且在焊核区出现硬度峰值点。随着转速的增加,接头抗拉强度呈现先增大后减小的趋势,所得最优接头抗拉强度为183 MPa,达到铜母材的71.8%,断裂位置位于铝侧热影响区,断裂方式为韧性断裂。     

Corrosion Resistance of Friction Stir Welded Al-Cu-Li Alloy AA2099-T8

In order to study the effect of friction stir welding (FSW) on corrosion resistance of Al-Cu-Li alloy AA2099-T8, the microstructure and microhardness of FSW joints were characterized, and then, the corrosion behavior of the FSW joints was investigated by the immersion and potentiodynamic polarization tests in a 3.5% NaCl solution at room temperature. It is indicated that the alloy was softened by FSW, with the lowest hardness appearing at the boundary between the nugget zone and the thermo-mechanically affected zone. When exposed to the NaCl solution, the FSW joint was characterized by shallow pits and was free of severe localized corrosion, probably due to dissolution of T₁ (A₂CuLi) phase in the FSW joint. It is suggested that further work should be carried out to evaluate the galvanic coupling effect between the FSW joint and the base metal, as well as the stress corrosion cracking resistance of the FSW joint.     

钛/铝异种金属搅拌摩擦焊搭接接头的组织结构

采用搅拌摩擦焊对TC1钛合金和LF6铝合金异种金属进行了搭接连接,研究了接头的微观组织结构.结果表明,当搅拌头旋转频率为1 500 r/min、焊接速度为60mm/min时,能获得焊缝成形良好、无孔洞和裂纹等缺陷的搭接接头,搭接处铝合金和钛合金充分混合,形成焊核区.焊核两侧进入铝合金中的钛合金在搅拌针的挤压下发生了弯曲...     

轴肩辅助加热6082铝合金摩擦塞补焊接头组织及力学性能

为了解决搅拌摩擦焊匙孔类体积型缺陷修复问题,在填充式搅拌摩擦焊基础上,采用轴肩与母材摩擦辅助加热的方法对同种材料铝合金匙孔类缺陷进行摩擦塞补焊,在不同的塞棒转速下得到了成形良好的塞补焊接头.?结果表明,由于热输入和材料形变作用,接头不同区域组织发生了明显变化.?不同塞棒转速下接头组织及分布状态相似.?一个完整的塞补焊接...     

工艺参数对搅拌摩擦焊变形铝合金接头性能的影响

文中采用搅拌摩擦焊方法对4 mm厚的1060,2024,6061三种变形铝合金板材进行对接试验,焊后利用光学显微镜和扫描电镜分析、对比了焊接接头各区的微观组织和试样断口形貌,并测试了其拉伸性能和显微硬度.结果表明,三种材料接头焊核区的组织细小且焊核区的硬度最高,而热影响区组织粗大且硬度最低.接头的强度都随焊接速度和搅拌头旋转速度的增大呈先增大后减小的趋势,且接头最优抗拉强度与母材强度呈线性关系.拉伸试验中试样在热影响区断裂、断口呈韧窝状,为典型的韧性断裂.热影响区组织粗大和二次相偏聚是造成接头薄弱点的主要原因.     

焊接速度对5754铝合金FSW接头微观组织和力学性能的影响

对3 mm厚的5754铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，研究了搅拌头在转速800 r/min条件下，不同焊接速度(100 ~ 400 mm/min)对搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响. 结果表明，5754铝合金FSW接头横截面形貌呈“盆”形. 随着焊接速度增加，5754铝合金FSW接头的焊核区和轴肩区的面积逐渐减小，而搅拌针区面积先增加后减小. 当焊接速度为300 mm/min时，搅拌针区面积达到最大值6.66 mm2，轴肩区和搅拌针区面积比例为0.97，5754铝合金FSW接头的强度系数达到97.5%，这主要是因为轴肩区和搅拌针区面积相近，增大了焊核区和热影响区界面面积，从而提高了FSW接头强度，拉伸断裂在焊核区以外(热影响区或基材区)，断口为韧性断口. 当焊接速度为400 mm/min时，5754铝合金FSW接头的强度系数为58.8%，拉伸试样均断裂在焊核区，断口为脆性断口.