铝-钢异种金属搅拌摩擦焊研究现状及展望

搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,具有优质、高效、节能、环境友好等优点,广泛应用于航空航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域。为了实现车体轻量化,铝-钢异种金属的搅拌摩擦焊研究得到越来越多的重视。从搅拌摩擦焊的工艺、组织及性能三个方面,对铝-钢异种金属搅拌摩擦焊的国内外研究现状进行综述。研究现状表明,通过控制界面金属间化合物的生成量,可得到高质量的铝-钢异种金属的搅拌摩擦对焊、搭焊及点焊接头,优化工艺参数下其拉伸性能可与母材相当,然而在铝-钢界面的精细结构表征和复杂应力状态下接头的力学性能方面还需要进一步的深入研究。此外,对未来铝-钢异种金属搅拌摩擦焊的研究方向进行展望。     

轻质异种材料搅拌摩擦点焊技术研究进展

由于汽车工业轻量化的要求,轻质材料复合结构取代单一材料结构的方法受到社会各界的广泛关注。对于异种材料复合结构的连接,传统焊接方法具有一定的局限性。搅拌摩擦点焊技术作为一种绿色、高效、固相连接技术,在异种材料连接方面具有很大潜力,国内外学者针对异种材料搅拌摩擦点焊开展了大量研究。从铝-碳纤维增强热塑性树脂基复合材料、铝-铜和铝-钢三种复合结构搅拌摩擦点焊的研究现状出发,阐述了国内外科研人员在焊接工艺、微观组织演变以及接头力学性能等方面的研究成果,并展望了搅拌摩擦点焊技术现阶段亟待解决的热点问题以及发展趋势。     

W6Mo5Cr4V2与45钢的超塑性扩散连接接头断口分析

通过对Ｗ６Ｍｏ５Ｃｒ４Ｖ２／４５钢的塑性扩散连接接头机械性能测试，接合面组织变化分析，断口的微观和宏观形貌分析以界面处碳扩散等测试研究，认为在足够的预压力和良好的压接表面状态下，可实现异种钢材的超塑性扩散连接。接头界面是由冶金结合区，机械结合区及微观空隙等组成的。     

锌夹层添加对镁-铝异种金属搅拌摩擦点焊接头组织与性能的影响

对于镁-铝异种金属的搅拌摩擦点焊(Friction stir spot weld,FSSW),镁-铝界面处连续分布的脆性Mg-Al金属间化合物是影响其强度的关键因素。针对AZ31镁合金和2024铝合金薄板的FSSW,采用0.1 mm厚纯锌箔作为预置夹层,分析锌夹层添加对接头微观组织与力学性能的影响。结果表明,无夹层时,接头中仅在钩状区中的镁-铝界面处生成了厚度约为5μm的连续金属间化合物层,其余部分以机械结合为主,接头拉剪载荷仅为0.8 k N。锌夹层添加后,降低了钩状区中靠近匙孔一侧的过渡层厚度(约2μm),并使钩状区外侧界面处生成了新型Al-Zn、Zn-Mg化合物组织,起到了阻碍该区域Mg-Al金属间化合物生成的作用,达到了促进镁、铝之间冶金结合的效果。与无夹层相比,有夹层接头拉剪载荷提高了75%,达到1.4 k N。     

工具尺寸对铝-钢异种金属搅拌摩擦搭焊接头组织与性能的影响

铝合金与钢的异种连接是汽车轻量化制造的关键,然而采用传统的熔化焊工艺很难得到高质量焊缝。本文选用不同尺寸的焊接工具对1.2mm厚的5182铝合金和DP1180高强钢进行搅拌摩擦搭焊。微观组织分析表明,在转速为800r/min,焊接速度为50mm/min的参数条件下,采用两种尺寸的工具均可得到无缺陷的接头,且小尺寸工具条件下接头生成明显的"Hook"缺陷,采用大尺寸工具时"Hook"缺陷显著弱化,此时铝和钢的反应充分,堆垛层状结构更为明显。由于堆垛层状结构中金属间化合物的存在,界面附近硬度波动较大,最高硬度可达641HV,明显高于钢母材。采用小尺寸工具时,由于搭接面积较小,接头拉伸剪切性能较差,全部沿界面开裂;而采用大尺寸工具时,当铝合金位于前进侧的条件下接头性能优异,断裂于铝合金侧,最大剪切力高达3.42k N,表明对铝-钢异种金属进行搅拌摩擦搭接可获得高质量的焊接效果。     

螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊塑性连接机理及接头力学性能研究

为了获得铝合金板材高性能点连接接头,兼顾机械连接与固相焊接的技术优势,采用不同焊具开展了铝合金板材搅拌摩擦铆焊试验。对比研究铆焊成形力、接头形貌及塑性变形机理和力学性能及失效行为,以期阐明螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊工艺对接头性能的强化机制。结果表明：搅拌摩擦铆焊过程中,随工具头位移变化,铆焊成形力呈先迅速增大、达到峰值后在一定范围内保持最后迅速降低的变化趋势;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头上下板材之间形成了冶金结合,螺纹铆钉与塑化材料之间形成机械连接;轴肩下方上板的有效板厚、搅拌区的有效结合宽度以及铆钉与被焊材料的有效铆合高度是影响螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头力学性能的关键技术参数;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头的拉伸剪切峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的1.65倍,十字拉伸峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的2.7倍。     

铝/钛异种金属的电子束熔钎焊

铝与钛的双金属结构具有广阔的应用前景,由于两种材料易形成氧化膜,物性差异很大且极易形成Ti-Al金属间化合物,连接难度非常大。基于电子束热源的熔-钎焊技术通过熔化低熔点的铝合金来润湿、钎接高熔点的钛合金,有效地控制界面反应,抑制金属间化合物地生成与长大,对焊缝的成形、微观组织结构以及接头性能进行分析,结果表明:利用电子束熔钎焊技术实现Al/Ti异种金属焊接接头的平滑过渡,焊缝正反面成形良好;Al和Ti这两种元素在焊接过程中都向对方基体中进行扩散,形成1.0～1.6 mm宽度的反应区,在TC4侧形成厚度为20～40μm的过渡层,5A06侧形成大量弥散分布的块状Ti-Al金属间化合物,实现5A06铝合金/TC4钛合金异种金属的冶金结合;焊接接头的抗拉强度达到180 MPa;焊缝无裂纹、气孔缺陷。     

5056铝合金/镀锌钢预置涂粉激光熔钎焊组织及性能研究

针对铝/钢焊接的技术难点,采用预置金属粉末的方法,对5056铝合金与ST04Z镀锌钢板进行CO2激光搭接熔钎焊,分析熔钎焊接头成形、接头连接界面的显微组织及其力学性能。结果表明,选择合适的焊接参数,涂粉后能够实现铝合金与镀锌钢的优质连接;熔钎焊接头没有明显的针状Al-Fe金属间化合物向熔化区析出,且过渡层最大厚度小于10μm,在熔化区边缘和熔化区与铝合金结合处熔钎焊根部出现两个富Zn区,Si、Zn、Mn、Mg等元素与Fe和Al或直接形成化合物,或形成固溶物,抑制了Al与Fe直接接触形成脆硬的金属间化合物;接头拉伸试样断裂形式有母材热影响区断裂和焊缝处断裂两种,焊缝处断裂面在铝熔化区一侧,接头平均机械抗力达190 N/mm,约为母材的85.2%。采用此方法可减小铝/钢熔钎接界面过渡层厚度,获得力学性能良好的熔钎焊接头。     

添加Si粉激光深熔焊钢/铝接头的显微组织与性能

钢/铝结构件在现代交通领域具有广泛应用前景,易生成脆性Fe-Al化合物是钢/铝异种金属焊接亟待解决的难题。采用光纤激光器对1.4mm厚DP590双相钢和1.2 mm厚6016铝合金进行添加Si粉激光深熔焊接实验,利用卧式金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射和微机控制电子万能试验机等研究添加Si粉前后焊接试样金相组织、断口形貌、界面元素分布、主要物相与接头力学性能,采用高速摄像机同步拍摄焊接过程中金属蒸汽/等离子体形貌,采用光谱仪采集金属蒸气/等离子体的发射光谱。结果表明,激光功率2 000W,焊接速度50mm/s,离焦量+2mm,Ar气为保护气体且流量为15L/min条件下,添加Si粉焊接试样焊缝表面成形性良好,没有气孔、裂纹等缺陷,焊接接头平均线载荷108 N/mm,与没有添加Si粉相比,线载荷提高8%。由于添加Si粉增大焊接试件对激光能量吸收,增加焊接熔深,熔宽两侧Al含量变化不大,焊缝区晶粒未粗化,钢、铝熔池流动性得到改善,钢/铝界面层厚度降低,Si与Fe、Al发生冶金反应形成延性Al_(0.5)Fe_3Si_(0.5)新相,抑制或减少脆性Fe-Al化合物生成,因此添加Si粉能改善焊接接头力学性能。     

铝/黄铜异种金属搅拌摩擦焊搭接接头显微组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对5052铝合金及H62黄铜异种金属进行搭接,搅拌头转速固定为1 000 r/min,焊速为100～300mm/min,对接头微观组织和力学性能进行研究。结果表明:搭接接头铝侧分为焊核区、热机影响区和热影响区。接头铝侧与搅拌头直接作用的区域,晶粒发生一定的细化。搭接界面处两板间分界明显,界面处有黄铜和铝的机械混合,且有金属间化合物产生。接头显微硬度分布表明铝侧焊核区显微硬度最高,硬度最低点在热影响区。界面处的硬度明显大于铝及黄铜母材。随着焊速的增大,接头拉剪载荷先增大后减小。接头拉伸时断于界面区,断口为解理断裂。