铝 / 镁异种金属搅拌摩擦焊研究现状及发展趋势

为进一步优化焊接工艺,提高铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头的性能,促进铝/镁异种金属结构在航空航天、轨道交通、汽车工业等领域的广泛应用,综述了近5年来国内外铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接的最新研究成果,对焊接工艺参数、接头的力学性能、微观组织以及异种金属搅拌摩擦焊的新工艺进行了总结和分析。国内外大量研究结果表明,通过选择合适的工艺参数、改变搅拌针的偏移,可以获得抗拉强度较高、焊缝成形良好的铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头,焊缝中存在的金属间化合物是导致焊接接头性能不能满足工程应用的主要因素,但目前对于搅拌摩擦焊接过程中金属间化合物的产生、分布规律缺乏深入研究。     

工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响

目的研究工艺参数对Al-Mg异种金属搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接接头力学性能的影响。方法采用搅拌摩擦焊-钎焊方法,在不同焊接工艺参数下焊接2A12-T4铝合金和AZ31镁合金。结果当焊接速度为23.5mm/min、旋转速度为375 r/min时,焊接接头的抗拉剪力达到最大,为5.5 kN,比搅拌摩擦焊接头的最大抗拉剪力的5.0 kN提高了10%。结论搅拌摩擦焊-钎焊复合焊接的工艺参数会显著影响铝/镁异种金属接头力学性能,通过优化工艺参数能够获得力学性能优异的铝/镁异种金属焊接接头。复合焊接接头的抗拉剪力随着焊接速度的增大呈现先增大后减小的趋势。     

镁/钢激光-电弧复合焊接接头的腐蚀行为

采用激光-电弧复合填丝对接焊方法获得了成形及力学性能良好的AZ31B镁合金/Q235钢板焊接接头;利用金相显微镜和电子探针观察焊接接头组织和元素分布状态,通过浸泡腐蚀试验和电化学试验研究了焊接接头不同区域(镁母材、焊缝、钢母材)的腐蚀行为。结果表明:AZ31B母材存在各向异性的腐蚀现象;焊缝与钢母材之间发生电偶腐蚀,邻近界面处的焊缝腐蚀严重,而界面处富集Al、Mn元素,腐蚀倾向较小;焊缝中存在较多钢飞溅,钢飞溅周围的区域比焊缝其他位置的腐蚀更为严重,焊接过程中产生的钢飞溅对焊缝的耐蚀性是不利的;焊缝中的β相一方面作为屏障层阻碍基体的腐蚀,另一方面作为电偶腐蚀中的阴极增加焊缝基体的腐蚀敏感性。     

铝/镁异种合金磁脉冲焊接接头组织与性能研究

本工作采用磁脉冲焊接方法实现了铝/镁异种合金的连接,并通过光学显微镜、扫描电镜、X射线衍射和拉伸试验等分析方法对不同放电能量下的接头微观组织及力学性能进行研究。结果表明,铝/镁异种合金焊接接头界面呈现波形界面和平直界面,且随着放电能量的增加,界面的有效结合区宽度逐渐增加,最大达到了2.87 mm;波形界面的特征越明显,接头的力学性能越高;当放电能量为30 kJ时,波形界面的波长为62.7μm,波幅为9.1μm,接头拉剪力最大,达4 679.5 N。断口形貌分析结果表明,焊缝由内、外两个椭圆环组成;内环形貌呈密集的颗粒与空洞混合结构,外环形貌为条纹状结构。机械互锁和冶金结合同时存在的波状结构界面是获得力学性能优异的铝/镁异种合金磁脉冲焊接接头的关键。     

转速对厚板铝/镁异种材料搅拌摩擦焊摩擦产热及界面组织的影响

通过改变搅拌头转速对20 mm厚的铝/镁异种材料进行搅拌摩擦焊,利用K型热电偶测温、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、电子探针(EPMA)等测试方法,研究了搅拌头转速对摩擦产热、焊缝成形及界面组织的影响规律。结果表明,在同一转速下,板厚方向上存在温度梯度,自上而下温度逐渐降低,铝侧界面上下温差高于镁侧界面;同一厚度上相对称的两点,铝侧界面的峰值温度高于镁侧界面。随着转速的增加,摩擦产热增多,但是增幅显著减小。焊缝成形随着转速的增加逐渐变差;在转速为375 r/min时,接头镁侧界面上部存在12μm厚的连续带状Al₃Mg₂层和74μm厚的Mg+Al₁₂Mg₁₇共晶层,中部IMCs层和共晶层厚度较上部减小,下部只存在Al₃Mg₂和Al₁₂Mg₁₇IMCs层,并未发现共晶层。随着转速增加,镁侧界面处的IMCs层与共晶层的厚度显著增加,接头断裂发生在镁侧界面的Al₃Mg₂...     

铝/镁异质金属搅拌摩擦焊技术研究进展

汽车轻量化是实现燃油汽车节能减排、新能源汽车增程降耗的有效手段,已成为汽车工业可持续发展的必经之路.多材料混合车身在兼顾安全与成本的基础上,通过轻质材料和先进制造工艺的合理使用来降低车重,是目前汽车轻量化的主流研究方向之一.作为铝、镁资源大国,发展铝?镁混合车身结构及相应的连接技术是符合我国国情的汽车轻量化解决路径.然而,氩弧焊、电阻焊、高能束焊等熔焊技术难以制备高质量铝/镁异质接头,液态焊材剧烈反应在连接界面处形成的粗大晶粒和Al?Mg金属间化合物极易造成接头发生组织恶化、性能下降等问题.搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是一种新型固相焊接技术,其通过搅拌头产生的摩擦热促进金属材料的塑性变形以提高其互相混合程度,从而实现焊材的连接,在铝、镁异种合金的连接方面具有广阔的应用前景,被誉为"焊接史上的第二次革命".本文从接头成形过程与微观组织、焊接工艺对接头性能的影响、接头性能的改善方法三个方面总结了铝/镁异种合金FSW技术的研究进展,针对搅拌头结构优化、超声振动辅助FSW、添加中间层或钎料、复合焊接技术等接头性能改善的最新研究结果,展望了常规和改型FSW技术未来的重点研究方向,旨在为铝、镁异种合金的连接及高质量铝/镁异质接头的设计与制备提供参考.     

水下搅拌摩擦焊对铝/铜接头组织与性能的影响

目的 采用搅拌摩擦焊,对比分析大气环境和水下环境下铝/铜接头的组织与性能,以期获得力学性能更优异的铝/铜焊接接头。方法 利用搅拌摩擦焊,在焊接速度为40 mm/min、旋转速度为1 000 r/min的条件下,分别在大气环境和水下环境下对厚度为9 mm的6061铝合金板和T2纯铜板进行焊接。然后,对铝/铜界面、焊核区进行扫描电镜及能谱分析,并对铝/铜界面及焊核区进行物相分析,确定产物相组成。最后,对铝/铜试样进行拉伸及硬度检测。结果 铝/铜接头均无裂纹、气孔等缺陷。铜颗粒弥散分布在焊核区,铝/铜界面形成金属间化合物层。水下搅拌摩擦焊下界面元素扩散距离明显变短,且金属间化合物厚度更薄。铝/铜接头的金属间化合物为AlCu和Al4Cu9。大气环境焊接下接头的抗拉强度为130.6 MPa,断裂方式为脆性断裂;水下焊接下接头的抗拉强度为199.5 MPa,断裂方式为韧性断裂。水下环境下的接头硬度值更高,其中热影响区的硬度最低值约为65HV。结论 水下搅拌摩擦焊铝/铜接头无裂纹、气孔等缺陷。组织上,水下搅拌摩擦焊的铝/铜接头界面元素扩散距离更短,硬脆的金属间化合物更少;性能上,水下搅拌摩擦焊的铝/铜接头强度更高,抗拉强度达到199.5 MPa,达到母材的74.4%。     

焊丝成分对铝-铜异种金属熔钎焊接头钎焊界面组织与接头力学性能的影响

采用脉冲旁路耦合电弧MIG熔钎焊方法对1060纯铝和T2紫铜进行了对接焊,选用ER1100、ER5356、ER4043和ER4047四种焊丝为填充材料,研究了焊丝成分对焊接接头微观组织、金属间化合物层的厚度以及力学性能的影响规律。结果表明:4种焊丝的焊接接头均由铝侧熔合区、焊缝区和铜侧钎焊区组成,其中铜侧钎焊区又可细分为金属间化合物层区和Al-Cu共晶区两部分。焊丝中Si元素的加入可以起到阻碍铝铜原子互扩散、抑制铝铜金属间化合物生长、提高焊缝显微硬度以及抗拉强度等作用;而加入Mg元素,其效果不明显。     

螺纹搅拌针直径对铝/钢填丝搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

目的 采用填丝搅拌摩擦焊方法 ,研究螺纹搅拌针直径对6061铝合金/304不锈钢搅拌摩擦焊接接头组织及性能的影响.方法 通过使用3种不同直径的螺纹搅拌头,观察不同结构搅拌头对焊缝成形及接头微观形貌的演变规律,并对其进行力学性能测试,研究搅拌头结构对接头性能强化的影响.结果 随着螺纹搅拌针直径由M4增加到M6,焊缝表面成...     

焊接速度对Mg/Cu异种合金搅拌摩擦焊接接头成形的影响

目的研究不同焊接速度条件下镁铜异种合金搅拌摩擦焊接接头的成形规律。方法在保证其他焊接工艺相同的条件下,通过改变焊接速度,比较分析了焊接速度对接头的表面成形、横截面形貌特征、微观结构及力学性能的影响规律。结果随着焊接速度从118 mm/min减小至95 mm/min时,焊缝表面成形变得更光滑,飞边显著减少,内部孔洞缺陷消失,焊缝成形质量显著提高;但继续减小焊接速度至75 mm/min时,焊缝内部却再次出现孔洞缺陷。结论采用工艺参数为950 r/min的旋转速度、95 mm/min的焊接速度焊接时,焊缝成形质量最高;中心混合区主要由层片状铜合金、颗粒状镁合金和金属间化合物Mg2Cu组成;接头抗拉强度最大,达81.5 MPa。     

搅拌摩擦焊辅助Al/Zn/Mg接头扩散连接

对2mm厚的AZ31B镁合金和6061铝合金平板进行添加夹层Zn的搅拌摩擦诱导扩散连接实验。通过SEM,EPMA,XRD,拉伸实验和维氏硬度测试研究Al/Zn/Mg搭接接头显微组织和力学性能。结果表明:当旋转速率合适时,扩散层存在Al富集区,Al5Mg11Zn4层及Mg-Zn共晶区;而旋转速率较低时,扩散层存在残留的Zn层;旋转速率过大时,扩散层出现Al-Mg系金属间化合物。由于扩散层主要为金属间化合物,其显微硬度明显高于母材。Zn箔的加入提高了Al/Mg搭接接头的力学性能。断口观察分析表明,接头失效发生在靠近Al侧的扩散层上。     

焊接速度对钛/钢搅拌摩擦焊接头宏观及界面形貌的影响

目的研究焊接速度对钛/钢搅拌摩擦焊接头的成形及界面特征影响。方法采用搅拌摩擦焊技术实现了2 mm厚钛/钢板材的对接焊,采用OM及SEM对钛/钢接头的成形及界面特征进行分析,并利用EDS对界面处的元素分布进行了分析。结果焊接速度为23.5~60 mm/min时,焊缝中心形成了以钛为主的"洋葱环"。"洋葱环"内部涡流分布着条带状及颗粒状的Fe-Ti反应物,为金属间化合物或固溶体。焊接速度为75 mm/min时,界面处反应层厚度约1μm,焊接速度为60 mm/min时,界面处反应层厚度约5μm,焊接速度为47.5mm/min时,界面处反应层厚度约5~60μm。结论随着焊接速度的增加,钛/钢搅拌摩擦焊焊缝表面成形由粗糙变得光滑,随焊接速度的降低,界面处的钛/钢冶金反应程度变强,界面反应层厚度逐渐增大。     

化学镀锡层对镁铝异种金属超声波焊接的影响

为提高镁铝异种金属超声波焊接接头强度,预先在铝合金表面镀锡后进行镁铝异种金属超声波点焊,并对接头的微观组织和力学性能进行分析.研究表明:无镀锡层的镁铝超声波焊接接头界面出现了大量的Mg_3Al_2和Mg_(12)Al_(17)相,其接头的最大拉伸剪切强度为27.5 MPa;含镀锡层的铝镁超声波焊接结合区由镁锡反应扩散层、残余锡层和铝锡反应扩散层组成,其中,铝锡反应层是固溶体层,镁锡反应层主要是过饱和的固溶体基体及弥散析出的中间相Mg_2Sn,其接头的最大拉伸剪切强度为32.9 MPa.镀锡层的加入有效阻止了镁铝的相互扩散,抑制了硬脆的Mg-Al系金属间化合物的生成,提高了镁铝超声波焊接接头强度,与镁铝超声波焊接相比最大拉伸剪切强度提高了19.6%.     

铝/钢搅拌摩擦辅助铆接接头界面特性研究

目的探究搅拌摩擦辅助铆接铝/钢接头界面的结合特征,解决传统铆接力学性能较低的问题。方法采用搅拌摩擦焊技术实现了对3mm厚不锈钢板和4mm厚的铝合金板的搭接点焊,采用OM及SEM对铝/钢接头界面结合情况进行分析,并利用EDS对界面处元素分布进行分析。结果搅拌头转速1180 r/min、焊接时间120 s、下压量0.2 mm时,铝/钢接头界面结合较好,平均拉剪力达到6519 N,且在铝/钢界面处产生FeAl金属间化合物。受摩擦热作用的影响,位于下板的铝母材晶粒发生长大变粗,铝铆钉与铝板结合紧密,铝铆钉与铝板的结合情况受搅拌头压力的影响更为显著。结论搅拌摩擦辅助铆接铝/钢异种合金,实现了铆钉与铝板和钢板的有效冶金结合,在铝钢结合界面处存在原子的互扩散现象,且有相应的金属间化合物生成。