7075铝合金搅拌摩擦焊接头断裂机理

使用MTS拉伸试验机和扫描电镜加载台分别对7075铝合金FSW接头进行拉伸卸载和原位拉伸试验,并借助Olympus金相显微镜对卸载后接头损伤行为进行观察,使用有限元软件ABAQUS对接头在拉伸过程中的应力状态进行分析. 结果表明,7075铝合金FSW接头在拉伸过程中微裂纹分别在前进侧热影响区(HAZ)与热力影响区(TMAZ)交界处和焊核区(WNZ)底部形核,最终前进侧HAZ与TMAZ交界处裂纹发展成主裂纹,主裂纹沿HAZ与TMAZ交界扩展导致接头断裂. 原位拉伸试验接头同样在该区域发生断裂. 该处由于三向应力度较高、显微硬度较低、过渡组织不连续以及沉淀相MgZn2取向分布而成为整个7075铝合金FSW接头的最薄弱环节.     

7075铝合金板搅拌摩擦焊接头再结晶过程研究

针对7075铝合金板搅拌摩擦焊对接接头组织变化过程及搅拌头下压深度对焊接过程中焊缝塑性金属流动行为进行研究。研究结果表明:焊核区金属发生了动态再结晶,由细小的等轴晶组成;热机影响区晶粒出现弯曲变形,并发生了动态回复与部分再结晶;热影响区晶粒没有发生明显长大,晶粒间界随着热输入增大而加宽。搅拌摩擦焊接过程中,焊缝塑化金属存在三种运动,表层的水平圆周运动,探针周围的无序运动,底层的向上运动。     

铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂行为分析

提高和改善铝合金搅拌摩擦焊接头抗疲劳断裂性能是保证其焊接结构安全可靠的重要措施。阐述了国内外对铝合金搅拌摩擦焊接头的疲劳断裂行为的研究进展,包括铝合金搅拌摩擦焊接头的应力疲劳分析和应变疲劳分析;微结构、残余应力、表面处理对疲劳裂纹扩展速率的影响;焊接缺陷对疲劳断裂行为的影响;总结了在腐蚀介质中的疲劳裂纹形成特点和扩展规律及门槛值ΔKth。为建立铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳设计规范、提高铝合金焊接结构的疲劳强度具有重要的理论意义和实践参考价值。     

6063铝合金搅拌摩擦焊接头冲击断裂分析

以6063铝合金为主要研究对象，简要介绍了铝合金型材的搅拌摩擦焊接工艺及设备，研究了6063-T65l铝合金的冲击断裂性能、塑性变形能力及其搅拌摩擦焊接头的微观组织。研究表明，搅拌摩擦焊接头中为较细的再结晶组织，且强化相呈弥散分布，其冲击断裂性能和塑性变形能力与母材相近。     

7075厚板铝合金搅拌摩擦焊接头晶间腐蚀行为研究

对20 mm厚7075铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头沿板厚方向进行分层晶间腐蚀行为研究。借助光学显微镜及扫描电子显微镜分析了接头组织、第二相成分及分布、腐蚀深度及接头各区腐蚀形貌。结果表明:焊缝中心区腐蚀程度最轻,热机影响区(TMAZ)次之,热影响区(HAZ)腐蚀程度最严重;沿板厚向下,焊核区(NZ)腐蚀程度逐渐变大,TMAZ腐蚀程度先变大后减小,HAZ腐蚀程度逐渐减小;接头沿板厚方向晶粒大小和第二相粒子尺寸及分布存在差异,是造成沿板厚方向各区不同晶间腐蚀程度的主要原因。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能研究

利用搅拌摩擦焊方法对7075铝合金板进行焊接,探讨了焊接速度和搅拌头旋转速度等焊接工艺参数对焊缝成形及接头力学性能的影响,并对焊接接头的显微组织进行了分析.结果表明:采用搅拌摩擦焊焊接7075铝合金时,焊接接头具有较好抗拉性能.当旋转速度为750r/min、焊接速度为95 mm/min时,焊接接头的强度最高,达到母材抗拉强度(487 MPa)的97.4％,并且其伸长率也较高(为3.1％);当旋转速度为950 r/min、焊接速度为150 mm/min时焊接接头的伸长率最好,为4.7％.总体上看,焊接接头的伸长率和母材相比较低.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能研究

本文对厚度为10和16 mm的7075铝合金厚板采用工具钢搅拌头进行了搅拌摩擦焊试验,并采用金相显微镜、透射电子显微镜和硬度测试仪等对其接头组织和性能进行了研究。结果表明,在焊核处形成了细小的再结晶组织,而在热影响区生成了大量的无析出带。由于无析出带的产生,导致了热影响区的硬度下降,形成软化区。10和16mm板厚试样接头强度分别达到445和362 MPa,拉伸试验中试样断裂发生在软化的热影响区。本研究为得到完整无缺陷的接头组织提供了合适的工艺参数。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形及失效行为

使用搅拌摩擦焊（FSW）设备对厚度为6mm的7075高强度铝合金平板进行对接试验。设计出双径试样,采用液压伺服试验机对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行拉伸试验,并借助奥林巴斯显微镜和扫描电镜观察接头的变形及失效过程。结果表明,7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中出现双颈缩现象,颈缩首先在后退侧出现,随着加载的进行,前进侧也出现颈缩现象。微裂纹在接头中的前进侧和后退侧颈缩区内晶界处由微孔洞聚集产生。随着应变的增加,微孔洞数量明显增加,当应变足够大时,微孔洞连接形成微裂纹。微裂纹沿着与加载方向成45°向焊核区进行扩展,导致接头断裂,断裂位置位于接头中的焊核区,断裂方式为剪切断裂混合着微孔聚集型断裂。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头沉淀相析出行为

利用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)技术对厚度为6 mm的7075铝合金进行平板对焊,使用金相显微镜、显微维氏硬度仪对7075铝合金FSW接头进行微观组织观察和显微维氏硬度测试,使用X射线衍射仪(X-ray diffraction,XRD)对合金进行物相分析,使用透射电镜(transmission electron microscopy,TEM)对接头焊核区(welding nugget zone,WNZ)、热机影响区(thermal-mechanically affected zone,TMAZ)、热影响区(heat affected zone,HAZ)及母材(base metal,BM)中的沉淀相分布、形貌等进行观察,并对沉淀相的晶格条纹间距进行计算。研究结果表明,7075铝合金FSW接头的组织及显微维氏硬度分布极其不均匀;接头中沉淀相主要有棒状MgZn_2和椭圆状AlCuMg两种,沉淀相种类与形状不同,强化效果不同,AlCuMg强化效果好于MgZn_2;WNZ中沉淀相主要是AlCuMg,加之细晶强化,显微维氏硬度较高;相比WNZ,TMAZ中沉淀相AlCuMg数量少,MgZn_2相对增多,强化效果相对减弱,导致显微维氏硬度降低;HAZ中的MgZn_2相对更多,加工硬化和细晶强化效果减弱,HAZ与TMAZ交界处显微维氏硬度达到接头的最低值。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中的裂纹扩展行为

对厚度为6 mm的7075铝合金进行搅拌摩擦焊(FSW)平板对接试验,利用MTS微控电子万能试验机对接头进行不同应变率下平板拉伸试验。分别使用光学显微镜(OM)和扫描电镜(SEM)对接头断裂路径两侧的微观组织和断口形貌进行观察。在此基础上,使用透射电镜(TEM)对接头起裂源处的沉淀相形貌进行观察,研究应变率对接头断裂行为的影响。研究结果表明,随着应变率的增加,接头屈服强度与屈强比略有增大,不同应变率下的微裂纹均形核于接头底部母材(BM)与热影响区(HAZ)交界处。相比于椭圆状AlCuMg沉淀相和胶囊状Al2CuMg沉淀相,接头中棒状MgZn2沉淀相对微裂纹形核起关键作用。应变率较低时,裂纹在扩展过程中发生偏转;随着应变率的增加,接头裂纹走向平直,接头塑性降低,与加载方向的裂纹扩展角减小,断裂方式由以韧窝聚合型断裂为主转变为以剪切断裂为主。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形行为及等效模型

利用有限元软件ABAQUS对厚度为6 mm的7075铝合金搅拌摩擦焊(FSW)平板对接接头进行拉伸模拟,通过对不同热输入条件下接头中三轴应力度(σm/σe)的计算,研究了热输入对7075铝合金FSW接头变形的影响规律。在此基础上,建立了7075铝合金FSW接头有限元等效模型。研究结果表明,不同热输入条件下的接头中的三轴应力度突变均发生在TMAZ与HAZ交界处和HAZ与BM交界处;随着热输入增大,三向应力度的最大值升高,最小值减小,7075铝合金FSW接头的屈服强度和抗拉强度均先增大后减小。转速为800 r/min,焊速为300 mm/min,即热输入为2.67 r/mm时是厚度为6 mm的7075铝合金FSW平板对接的最佳焊接工艺参数,此时接头的屈服强度和抗拉强度达到最大值;7075铝合金FSW接头等效模型可以代替精细模型用于后续整车有限元模拟。     

铝合金搅拌摩擦焊接头行为分析

详细介绍了搅拌摩擦焊（FSW）接头塑性流变数值模拟所得到的结果，并且利用搅拌摩擦焊的“插入试验”，测量了搅拌头旋转着插入铝合金材料过程中作用在搅拌头上的作用力，并将之转化为有效的粘度值和温度输出，确定了搅拌摩擦焊过程中充分塑化区（FPZ）的材料粘性，3－D数值模拟结果显示了搅拌头肩台下大约1.5mm的紊流区域的形成；解释了在异种金属搅拌摩擦焊接过程中无序混合产生的间混薄层结构，以及局部液相形成（初始熔化）引起的搅拌头的瞬间滑移导致了在特定的温度下（Tcrit）的材料粘性迟滞。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头的断裂部位特征

对5 mm厚的2219高强铝合金进行了搅拌摩擦焊单道对接焊,通过拉伸试验观察断口处的显微组织,研究了焊接接头的断裂部位特征.结果表明,接头的断裂部位在焊核与母材的边界或热力影响区.当焊接热输入量合适时,沿焊缝热力影响区断裂的试样在焊缝横截面上的形貌为V型和45°的剪切断裂,其接头的抗拉强度和伸长率较高.焊接热输入量过大时,沿焊缝厚度方向的"抽吸-挤压"作用减弱,在焊缝的紊流区形成孔洞缺陷,在焊核与母材的交界处形成弱连接,导致焊接接头沿焊核边界断裂,在焊缝横截面上的形貌呈阶梯型和S型,其接头的抗拉强度和伸长率较低.     

7075铝合金搅拌摩擦焊焊接缺陷研究

利用搅拌摩擦焊方法对7075铝合金板进行了焊接实验,观察和分析了缺陷的显微结构及形成原因。结果表明:焊接工艺参数对接头缺陷的形成具有重要的影响。当工艺参数不恰当时,会在焊接接头的焊核区与返回侧的热机影响区之间产生一条明显的黑线,并且其对组织和性能产生较大的影响。经扫描电镜及能谱分析表明,该黑线其实就是在焊缝中未形成连接或不完全连接而出现的"裂纹状"缺陷,是一种残余界面线。     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头断裂性能试验研究

对2219铝合金搅拌摩擦焊接头各区域的断裂性能进行了研究。完成了接头的夏比冲击试验,并对接头各区域冲击断口进行了分析。研究结果表明,2219铝合金搅拌摩擦焊接头的断裂呈韧性,焊核区断裂韧性最好,热影响区和热机影响区断裂韧性无显著差异,低于焊核区断裂韧性,但均高于母材的断裂韧性。     

酸性盐雾中7075铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀行为

    采用金相和透射电镜对包铝的7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织和微结构进行分析,采用酸性连续盐雾试验对焊缝表面的腐蚀行为进行研究,并观察焊缝宏观和微观腐蚀形貌.结果表明：焊缝表面的晶粒和第二相粒子得到明显细化;搅拌摩擦焊焊缝区耐蚀性比包铝的母材低,且存在一定程度的不均匀腐蚀.腐蚀首先从局部点蚀和晶间腐蚀开始,最终演变为剥落腐蚀.     

6082和7075异种铝合金搅拌摩擦焊接头成型及力学性能

对6 mm厚6082-T6/7075-T6异种铝合金进行了搅拌摩擦焊接,研究焊接速度对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明:当搅拌头旋转速度为1200 r/min时,在不同焊接速度下均能获得成形良好、内部无缺陷的焊接接头;随着焊接速度的增加,金属的流动能力降低,焊核区(NZ)的尺寸减小,轴肩影响区(SDZ)和轴针影响区(PDZ)的塑化金属对过渡区(TZ)金属的挤压作用力降低,易形成疏松区;焊接接头的最低硬度点出现在6082铝合金一侧的热影响区,随着焊接速度的增加,接头的最低硬度值和抗拉强度逐渐提高,伸长率逐渐降低,接头均断裂在6082侧的软化区。焊接速度为80 mm/min工艺参数下,获得抗拉强度最大值,为215 MPa,其伸长率为3.8%。     

热输入对7075铝合金搅拌摩擦焊接头质量的影响

对厚度6.35 mm的7075铝合金板材进行搅拌摩擦焊接,研究了焊接过程中的热输入对搅拌摩擦焊接头的表面形貌、微观组织以及焊缝孔洞型缺陷的影响。试验结果表明,当焊接热输入较小时,接头外观成型良好,无飞边的产生,而当热输入较大时,接头表面成型较差,会在接头表面细密的鱼鳞纹上产生粗糙的毛刺;接头焊核区晶粒的尺寸与焊接热输入大小有一定的比例关系,当焊接热输入越大时,晶粒直径越大;焊接热输入对焊缝孔洞型缺陷也有一定的影响。当焊接热输入不足时,可能会导致接头产生孔洞型缺陷。     

搅拌头尺寸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的影响

根据搅拌摩擦焊特点及库仑摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究搅拌头尺寸对温度场及残余应力场的影响规律。研究结果表明:纵向残余应力分布呈M形,最大值出现在轴肩边缘处;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径增大,峰值温度升高,残余应力峰值增大,且高应力范围变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值。与搅拌针长度相比,轴肩尺寸对峰值温度和残余应力影响显著。     

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。