轴肩形貌对铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动的影响

采用轴肩凹面内渐近线凹槽个数分别为0,2,4,6的搅拌头,并结合镶嵌标示材料方法进行焊接试验,分析轴肩形貌对焊缝金属流动影响.结果表明,随渐近线凹槽数增加,焊核区尺寸及其两侧标示材料向上迁移最大高度先增大后减小,同一焊缝中前进侧标示材料迁移高度始终大于返回侧.使用渐近线凹槽数为4个的搅拌头焊接时可使焊缝中的疏松缺陷消失,且焊核区面积、宽度及其两侧标示材料向上迁移高度最大.适当增大渐近线凹槽数,可增大金属塑化程度及其向下迁移量,改善焊缝成形质量.     

搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响

采用不同表面形状的搅拌针对20 mm厚7075铝板进行焊接,分析其对焊缝金属沿轴向迁移的影响.结果表明,使用圆锥形搅拌针焊接时,随着旋转速度增加,焊核区面积、塑化金属沿两边向上迁移高度先增大后减小,疏松区面积则先减小后增大.同一焊缝中焊核区内塑化金属沿前进边向上迁移高度大于返回边.采用375 r/min旋转速度焊接时获得的焊核区面积、塑化金属向上迁移高度最大,疏松区面积最小.而使用三角平面搅拌针焊接时,瞬时空腔的出现增强了沿焊缝水平方向上"抽吸-挤压"效应,同时改善塑化金属沿轴向上的流动性,导致疏松缺陷消失.     

搅拌针锥度和螺纹头数对厚板铝合金FSW焊缝金属迁移的影响

研究了20 mm厚2024-T4铝合金板材在搅拌摩擦焊过程中,搅拌针锥度与搅拌针表面螺纹头数对焊缝塑性金属在搅拌针周围迁移程度的影响.结果表明,随搅拌针螺纹头数增加,搅拌头旋转1圈时搅拌针螺纹所转移的高温金属量增加,焊核中塑性金属在前进边和返回边的轴向上迁移程度增加,宏观表现为焊核高度、宽度和面积增大;搅拌针锥度由25°减少至15°时,焊缝塑化金属量增加,焊核塑性金属在焊缝横截面上横向和轴向的迁移程度都增大,焊核面积增大.采用多头螺纹和较小锥度的搅拌针,可以改善厚板焊接时温度梯度大、焊缝金属流动不充分的问题,保证焊缝冶金质量.     

搅拌摩擦焊基础塑性流动形态的研究

采用彩泥对搅拌摩擦焊塑性流动进行观察,据焊缝内部材料受力情况,分析了焊缝各截面流动特征产生的成因.论文将轴肩范围内的焊缝划分为搅拌挤压区和塑性变形区,焊缝中下部搅拌挤压区内,搅拌针周围大部分材料绕搅拌针呈螺旋型搅拌迁移,填充后方瞬时空腔,小部分材料被迫逆时针向后方迁移;塑性变形区内,大部分材料绕搅拌针顺时针由返回边向搅拌针后方迁移,少量前进边的材料被迫逆时针流向搅拌针后方.焊缝上部搅拌挤压区内,搅拌针前方的材料首先绕搅拌针旋转迁移填充后方瞬时空腔,并在轴肩作用下与塑性变形区内彩泥一道经历一种连续“涂抹式”迁移运动.     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊接头中洋葱环形貌的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同螺纹旋向、不同轴肩直径的搅拌头进行了搅拌摩擦焊试验。结果表明,搅拌针表面为左旋螺纹时,洋葱环中心出现在焊缝的中下部,搅拌针表面为右旋螺纹时,洋葱环中心出则现在焊缝的上部;洋葱环花纹是由搅拌针附近的塑性金属在搅拌针表面螺纹的驱动下沿厚度方向迁移并在搅拌针端部或根部形成挤压区所造成的;轴肩较大的搅拌头有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,洋葱环更易于在厚度方向上扩张。     

搅拌摩擦焊焊缝塑性金属流动的实验研究

用铝箔作为标示材料,进行了LY12铝合金的搅拌摩擦焊试验.焊后在与焊缝表面平行的截面上,观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹.结果表明,左旋螺纹探针搅拌头搅拌摩擦焊过程中,焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的.在焊缝上部,前进边的标示材料向前迁移,而返回边的标示材料绕过搅拌针向后迁移;在焊缝中下部,搅拌针周围出现塑性环.     

厚铝合金板搅拌摩擦焊塑性金属不同深度的水平流动状况

通过在10mm厚LF2铝合金板的不同位置嵌入示踪Fe粉,进行搅拌摩擦焊对接实验,焊后截取不同深度的水平面试样,采用扫描电镜对试样进行能谱分析,通过观察Fe粉在焊缝金属中的水平分布,确定了10 mm厚LF2搅拌摩擦焊焊缝金属的二维水平流动状况.结果表明,塑性金属流动关于焊缝中心并不对称.焊缝下部金属受搅拌针作用,前进侧大部分金属与焊接方向相反向后流动,小部分金属向前流动,但都未进入返回侧;返回侧金属都向后流动,且有部分金属进入前进侧.焊缝上部金属主要受轴肩作用,前进侧大部分金属向前流动但未进入返回侧,小部分金属向后流动;返回侧金属沿旋转方向流入前进侧.     

搅拌针形状对焊缝厚度方向塑性金属迁移的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同旋向、不同螺距的搅拌针进行了搅拌摩擦焊试验.结果表明,搅拌针的旋向决定塑性金属在厚度方向上的迁移方向,带左旋螺纹的搅拌针驱使搅拌针附近的塑化金属向下迁移,向下迁移的金属不断向焊缝底部积累并受到垫板的阻碍作用,迫使塑性金属挤压外围的材料向上迁移,右旋螺纹的搅拌针作用方式则相反;建立的"抽吸-挤压"模型能很好的解释塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移方式;螺距较大的搅拌针有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,但也容易使焊缝底部的包铝层卷入焊缝中.     

搅拌针形状对搭接焊缝界面迁移的影响

采用搅拌针长度相同而形状不同的搅拌头对3mm厚的LY12CZ铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验。结果表明,表面带有螺纹的搅拌针使板材间的搭接界面在厚度方向上发生迁移,左螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向下迁移,在搅拌针端部积聚,挤压周边金属向上运动,导致搭接界面向上迁移;右螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向上迁移,在搅拌针根部积聚并受轴肩作用,挤压周边金属向下运动,导致搭接界面向下迁移。若搅拌针表面是光滑的,搭接界面在厚度方向上的迁移减小,但返回边界面向焊缝中心延伸的程度增大。     

轴肩下压量对搅拌摩擦焊搭接接头力学性能的影响

采用表面为右螺纹圆柱型搅拌针的搅拌头对3mm厚LY12铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验,研究了轴肩下压量对接头界面迁移和搭接接头力学性能的影响.结果表明,随轴肩下压量增大,焊缝两侧的搭接界面均向下迁移,其迁移量随下压量的增加而增加,焊缝返回侧的界面迁移量大于前进侧.控制轴肩下压量,当轴肩下压量合适时,焊缝两侧的界面仅发生较小的迁移.当焊缝两侧的界面仅发生较小的迁移量时,搭接接头有较高的抗剪强度,且断裂都发生在上板,呈正断.焊缝两侧的搭接界面向下迁移时,断裂都发生在下板,接头抗剪强度随界面迁移高度的增加而减小,且受拉侧在下板前进侧时,接头的抗剪强度较受拉侧在下板返回侧时的高.     

搅拌摩擦焊接偏心挤压流动模型

提出了一种偏心挤压流动模型,该模型认为搅拌头对软化材料的偏心挤压作用是形成接头的主要因素.基于该模型,设计并进行了偏心搅拌摩擦焊接试验.结果表明,搅拌摩擦焊接过程中,接头是由搅拌头偏心挤压材料形成的;搅拌头的偏心量越大,形成的接头核心区也将越大;在搅拌针附近的金属流动将使焊接接头形成在行进方向的层状结构;在接头表面将形成弧形纹,形成的弧形纹不是沿板材对接面对称的,而是偏向后退侧的,弧纹在后退侧形成的弧纹夹角比前进侧形成的弧纹夹角大;行进方向的层状结构和接头表面的弧形纹有对应关系.     

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.     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响

采用镶嵌异种材料作为标识材料的方法,用不同搅拌针形状的搅拌头,进行了搅拌摩擦焊试验.结果表明,搅拌针形状影响焊缝塑化金属流动的行为,导致焊缝截面形貌发生变化.搅拌针表面的反螺纹使搅拌针周围塑化金属向下流动,迫使搅拌针端部周边金属向上运动,焊核中心处于焊缝横截面下部;正螺纹使搅拌针周围塑化金属向上流动,迫使轴肩下方及周边金属向下运动,焊核中心处于焊缝横截面上部.改变搅拌针形状及长度,可以改变搅拌针下方及附近区域塑化金属的流动形态,从而改变焊缝底部的成形及包铝层进入焊缝的深度.     

Material flow and void defect formation in friction stir welding of aluminium alloys

An ingenious experimental programme by combining artificially thickened oxide layer as marker material and ‘stop-action’ welding were used to study the material flow and defect formation in friction stir welding of aluminium alloys. The results showed that material flow around the pin on the advancing side (AS) was severer than that on the retreating side (RS) and the fastest velocity of material flow in the middle stir zone (SZ) was 43.9?mm?s^?1. Moreover, the material under the RS shoulder included extruded metal only and the material under the AS shoulder included extruded and rotated metal. Lastly, instantaneous void occurrence and insufficient inflow material were reasons for the preferential formation of void defects in the top SZ on the AS.     

Microstructure Evolution and Recrystallization Behavior of Friction Stir Welded Thick Al-Mg-Zn-Cu alloys: Influence of Pin Centerline Deviation

Four tools with different pin centerline deviations were fabricated to friction stir weld (FSW) thick plates of Al-Mg-Zn-Cu alloys. The results show that, compared with the pin without pin centerline deviation, the applying of pin centerline deviation is favorable to improve the flowability of plastic material, enlarging the size of nugget zone, refining the grains and reprecipitated phase particles, enhancing the degrees of dynamic recrystallization and quantity of high angle grain boundaries owing to higher temperature and bigger eccentric force, resulting in the increase of strain hardening. Especially for the used pin with a centerline deviation of 0.2 mm, the highest average hardness and best metallurgical properties of thick FSW joints are produced, and which are consistent with the microstructure evolution and recrystallization behavior. Moreover, the fracture mode of the joints produced by the pins with centerline deviation from 0 mm to 0.3 mm changes gradually from a brittle fracture in the nugget zone (NZ) to a ductile failure in the HAZ.     

紫铜与低碳钢厚板搅拌摩擦焊工艺分析

用搅拌摩擦焊方法成功焊接了 10 mm 厚的紫铜与低碳钢板,得到了内部无缺陷、外观成形良好的接头.紫铜位于搅拌摩擦焊返回边时,能使焊缝形成良好接头.反之,位于前进边时则有沟槽和未焊合等缺陷.右旋螺纹搅拌针会使焊缝材料向上作螺旋形运动,接头有明显的轴肩影响区,缺陷容易在焊缝底部出现.左旋螺纹搅拌针使搅拌针周围的塑化金属向下迁移,在焊缝下部形成明显的呈"洋葱环"形焊核区,缺陷容易在焊缝上部出现.搅拌针偏移量对焊缝形貌有较大影响.接头抗拉强度达 233 MPa,为铜母材强度的 95%,断裂位置在铜侧热影响区.焊核区抗拉强度达 296 MPa,远超过紫铜母材的强度.

Abstract：

The joining of dissimilar metals, T2 copper and Q235 mild steel plates with 10 mm thickness, is carried out in friction stir welding. Excellent welds can be gained when copper is fixed at the retreating side, but defects can be produced in welds when copper is fixed at the advancing side. The pin shapes influence the flow of the plasticized metal in the weld, which results in the variety of the morphology of the weld. If the screw thread on the pin is clockwise, the metal around the pin will move upwards to the root of the pin, which causes that the shoulder affected zone is clear and the weld defects would form at the lower part of the weld section. If the screw thread on the pin is counter-clockwise, the metal around the pin will move downwards, which drives the metal around the pin tip to move around and upwards. The onion ring pattern, which appears like lamellar structure, is observed in the stir zone. The shoulder-affected zone is not clear; the weld defects will form at the upper part of the weld section. Various pin offsets will affect the flow of weld metal. If an optimization of the process parameters is performed, defeet-free joints can be formed. The tensile test results show that the maximum joint tensile strength can reach 233 MPa, which is 95% of the parent materials of copper, and the fracture happens in the HAZ of copper. The maximum tensile strength of the nugget zone can reach 296 MPa, which is very considerably larger than that of the parent materials of copper.     

轴肩压入深度对AA2024/AA2024搅拌摩擦焊接头连接质量的影响

通过调节轴肩压入深度,研究了板厚3 mm的AA2024/AA2024搅拌摩擦焊接头连接质量的变化规律.结果表明,无轴肩压入深度时,AA2024/AA2024接头的搅拌针前进侧存在“隧道”缺陷；随着轴肩压入深度的增加,“隧道”缺陷逐渐消失,接头界面轴肩搅拌区出现氧化物夹杂缺陷(S线),并呈现先增后减的演化规律,在焊核区底部也出现S线,并呈现逐渐增大的分布规律；焊接速度100 mm/min,旋转频率为800 r/min,轴肩压入深度为0.2mm时,3 mm厚AA2024/AA2024对接接头抗拉强度达到370MPa,断面收缩率达到3.4％.