铝/铜搅拌摩擦焊接头力学性能与断口形貌分析

由于铝、铜两种材料性能差异较大,用常规焊接方法难以实现连接,极大地限制了铝/铜复合接头的质量和应用范围.利用搅拌摩擦焊接技术成功地实现了铝合金5A06和紫铜T2的对接焊接,并对接头的力学性能及拉伸断口的形貌进行了分析.结果表明:选用合适的焊接参数,接头的抗拉强度达到225MPa,为母材紫铜T2的76.4％;焊缝区显微硬度测试显示,搅拌区铝-铜材料的混合,硬度值呈现波动且在靠近富铜区硬度出现突增值;拉伸断裂多发生在前进侧的热影响区或焊核区,宏观断口呈45°倾斜式和铝-铜交替层状断形貌;断口SEM微观形貌多呈塑性韧窝状.     

16mm厚T2铜搅拌摩擦焊组织及接头力学性能分析

选用转速300 r/min、焊速30 mm/min的工艺参数对16 mm厚的T2紫铜厚板进行搅拌摩擦焊接,并对其焊接接头的微观组织、力学性能进行了分析。结果表明,焊核区晶粒尺寸比母材细小,其平均硬度为73 HV,稍高于母材,热影响区和热机影响区硬度较低;焊接接头的抗拉强度为229 MPa,是母材的97%,试样断裂的位置均在前进侧热影响区。X射线衍射结果表明,焊接接头只有Cu,无氧化物和其它金属间化合物产生。     

2A12T4/6061T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头性能分析

为满足异种铝合金结构件焊接需求，对10 mm厚的2A12T4/6061T6异种铝合金板进行了搅拌摩擦焊接试验，分析了不同工艺参数焊接接头的微观组织和性能。结果表明：焊接接头焊核区与热机械影响区分界在前进侧明显，而在返回侧不明显；除搅拌头旋转速度为700 r/min、前进速度为300 mm/min的焊接试样外，其余试样的拉伸断裂均发生在6061T6铝合金侧的热影响区，拉伸断裂均呈韧性断裂；焊核区的硬度比热影响区的硬度大，但比母材的硬度小，2A12T4铝合金侧的硬度明显高于6061T6铝合金侧的硬度。当搅拌头旋转速度为600 r/min、焊接速度为300 mm/min时，焊接接头的抗拉强度最高，为249 MPa。     

5052/T2搅拌摩擦焊接头的组织及性能

对8 mm厚的5052/T2异种合金进行了搅拌摩擦焊,观察了接头的金相组织,测试了接头的显微硬度、抗拉强度及导电率。结果表明:5052/T2 FSW接头界面铝-铜呈迭层交替分布,部分铜镶入界面形成了"钩子"形貌。焊核区组织呈现"洋葱环"特征,出现金属塑性流线,产生了灰白色Cu-Al金属间化合物。铜侧热机影响区在搅拌针的机械和摩擦热循环的双重作用下出现条弧状组织。铝侧热影响区仅受摩擦热循环的作用,组织较粗大。焊核区硬度值有较大的波动。靠近铜侧的硬度值出现突高,可能是产生的铜-铝金属间化合物所致。接头平均抗拉强度为183 MPa,为5052母材抗拉强度的80.6%,断在铝侧热影响区。5052/T2接头焊核区域的导电率达到了5052母材的92.2%。     

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.     

5052铝合金FSW接头组织和力学性能

采用搅拌摩擦焊焊接8 mm厚5052-O铝合金,并对焊接接头进行了显微组织观察和力学性能测试。结果表明:接头组织左右不对称,前进侧与母材分界线较明显,后退侧与母材分界线较模糊;焊接接头抗拉强度平均值为193.5 MPa,接头强度可达母材的99%,伸长率可达母材的84%;焊接接头正弯角和背弯角均可达到180°,弯曲性能良好;焊核区显微硬度约为72 HV,略高于母材,硬度最低点出现在前进侧熔合过渡区。     

铜/钢异种金属搅拌摩擦焊搭接工艺

采用SKD61模具钢搅拌头对2 mm厚铜/钢异种金属进行搅拌摩擦焊搭接,分析了搭接接头微观组织和力学性能. 结果表明,当搅拌针与钢母材直接接触时,随焊接过程的进行搅拌针不断磨损甚至发生断裂. 焊核区前进侧出现流线区域,在搭接界面结合处形成机械冶金结合. 显微硬度测试显示,铜侧焊核区硬度最高,在搭接界面处硬度分布呈中间高两边低的趋势,接头厚度方向搭接界面处硬度最高. 形成良好结合的搭接接头在拉剪试验中断裂于铜侧热影响区,拉伸断口存在大量韧窝,呈典型韧性断裂模式.     

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。     

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。     

6061铝合金厚板搅拌摩擦焊接头组织与耐蚀性

采用搅拌摩擦焊对30 mm厚的6061铝合金进行了双面对接焊,分别采用金相显微镜、显微硬度仪和电化学工作站对焊接接头的组织、硬度和耐蚀性能进行观察、测量和研究。金相观察显示,双面搅拌摩擦焊焊缝前进侧与母材有明显的分界,后退侧分界模糊;焊核区呈均匀细小的等轴晶。硬度测试表明,搅拌摩擦焊接接头硬度呈"W"形特征分布,硬度最低值出现在前进侧热影响区。腐蚀试验表明,双面焊焊核重叠区腐蚀电流(2.396 3×10~(-5)A/cm~2)较大,一旦开始腐蚀,腐蚀速度很快,耐腐蚀能力相对较差。     

2A12/7075异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织及性能

对航空用5 mm厚的2A12/7075异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能进行了研究。结果表明：当旋转速度为1000 r/min,焊速80 mm/min,7075铝合金置于前进侧时,接头焊核区出现了洋葱环,该区域为细小均匀分布的等轴晶组织,晶粒平均尺寸为5.7 μm;两侧热影响区晶粒都有所长大,但前进侧热影响区更为明显。整个接头的显微硬度分布呈“W”型,最高硬度值出现在焊核区中心,达146.5 HV0.2,前进侧硬度较回退侧下降明显。接头抗拉强度达到392 MPa,分别是2A12铝合金母材强度的84.5%,是7075母材的71.1%,断裂位置处于前进侧热影响区。     

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%。     

铜与不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头的显微组织

采用搅拌摩擦焊方法实现T2紫铜和不锈钢异种金属的焊接,得到外观成形良好、变形小的搭接接头。通过金相、能谱扫描分析焊接接头组织。结果表明:紫铜-不锈钢搭接接头后退侧塑性较好的紫铜金属材料从上往下流动形成层状流线,在焊缝交界处与塑性较差的不锈钢金属材料形成具有模糊界线的区域组织;焊核区上表面组织为细小的等轴晶,紫铜侧组织由于受高温时间较长,为粗大的等轴晶,钢侧组织受搅拌针端部作用形成再结晶晶粒,交界处出现涡流交迭形状;前进侧有两种组织形貌,即铜基混合条带和钢基混合条带;紫铜-不锈钢异种材料焊接时在不锈钢侧存在搅拌头磨损后脱落的元素成分。     

紫铜-黄铜搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能

研究了紫铜和黄铜搅拌摩擦焊接的可行性,对焊接接头的金相组织进行了分析,并通过拉伸实验、硬度分析、弯曲实验,对接头的性能进行了验证.结果表明:紫铜-黄铜具有良好的搅拌摩擦焊接性能,可获得与母材等强度的搅拌摩擦焊接接头.焊合区在热力偶合作用下获得动态再结晶组织,接头黄铜一侧热影响区沿厚度方向上下不同,下侧可分为再结晶区、不完全再结晶区、动态回复区;上侧出现明显的偏析现象;接头紫铜一侧热影响区出现明显的须状组织,并有晶粒微溶的迹象.     

铜铝异种金属搅拌摩擦焊工艺研究

对2 mm厚的纯铝板和紫铜板的搭接接头的搅拌摩擦焊进行试验研究,分析了工艺参数对焊接质量的影响。结果表明:在试验条件下,焊接速度为60 mm/min、搅拌头旋转速度为700 r/min、下压量为2. 80 mm时,焊接接头抗拉强度达到最大值(96 N/mm2),其为铝母材强度的78%,焊接接头成形良好,无明显缺陷。     

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.     

2198和C24S异种铝锂合金搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能

对2198和C24S异种铝锂合金进行搅拌摩擦焊对接试验,分析接头的显微组织和力学性能。结果表明:前进侧和返回侧热影响区的板条状组织均发生了粗化,前进侧热力影响区的晶粒被拉长,返回侧热力影响区的变形晶粒周围存在细小的再结晶晶粒,焊核区为细小的2198和C24S铝锂合金再结晶晶粒,且2198铝锂合金的再结晶晶粒更大。焊接速度在60~120 mm/min变化时,2198铝锂合金位于前进侧的接头抗拉强度更高;接头拉伸试样的断裂均发生在2198铝锂合金的热力影响区,最大抗拉强度为382 MPa,达到了2198铝锂合金母材抗拉强度的82.7%;接头的焊核区、热力影响区和热影响区均发生软化,焊核区中2198铝锂合金的硬度比C24S铝锂合金的更低。     

2024铝合金与T2紫铜的搅拌摩擦焊接头组织及力学性能

针对板厚均为3 mm的2024铝合金和T2紫铜异种金属进行了搅拌摩擦焊接。采用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜对接头组织和铝-铜界面进行观察分析,并进行了显微硬度和拉伸性能测试。结果表明,接头表面成形优异,无宏观缺陷,焊核区形成了明显的洋葱环结构,洋葱环由层片状铝和颗粒形式分布的铜组成;在铝-铜界面形成了一层厚度约0. 98μm的金属间化合物层。在转速为800 r/min、焊接速度为50 mm/min的焊接参数下得到了力学性能优异的接头,接头平均抗拉强度为158 MPa,强度与母材铜相当,平均断后伸长率为10%,为母材铝的87%,拉伸断裂于铜侧母材,断裂方式为韧性断裂。     

紫铜的搅拌摩擦焊接头性能测试与组织分析

对T2紫铜的搅拌摩擦焊技术进行了实验研究,对其基本工艺、接头组织和性能等进行了初步分析.实验结果表明,用搅拌摩擦焊方法焊接6mm厚的T2紫铜板,当焊接规范合适时,可得到成形美观、内部无缺陷、几乎不变形的平板对接接头;搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达母材的90%;搅拌摩擦焊接头的电阻率与母材基本相同.     

铝/铜异种金属双面搅拌摩擦焊接成形及接头力学性能

对12 mm厚的1060纯铝与T2紫铜进行了双面搅拌摩擦焊接,研究了焊接速度对焊缝成形与接头力学性能的影响。结果表明：在搅拌头转速为600 r/min的条件下,当焊接速度为30～50 mm/min时,焊接速度对接头力学性能影响较小,接头均断裂于铝母材一侧;当焊接速度为30 mm/min时,获得了无缺陷的焊接接头;当焊接速度为40～50 mm/min时,接头出现扁平状小孔洞缺陷,此时,由于搅入焊缝的铜与铝混合形成复合材料结构,增强了焊缝性能,因此,其接头强度仍高于纯铝母材的;当焊接速度超过60 mm/min时,热输入降低引起材料流动不足,在接头内形成贯穿焊缝的孔洞缺陷,使接头承载面积减小,抗拉强度降低。搅拌区中部受到搅拌头两次热力搅拌作用,硬度最高。此外,由于第一道焊缝引起工件变形,在相同下压量的情况下,第二道焊缝相对于第一道焊缝压力略低、热输入较小,使得焊缝底部(即第二道焊缝)的硬度低于焊缝上部(即第一道焊缝)的,且第二道焊缝更易出现孔洞缺陷。综合考虑焊接效率和接头性能,50 mm/min为最优焊接速度,此时接头性能与铝母材的相当,抗拉强度为75.6 MPa,伸长率为26%。