旋转速度对6061-T6铝合金高速搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

在高焊接速度(3 000 mm·min^-1)下分别对3 mm和4 mm厚6061-T6铝合金板进行搅拌摩擦焊,研究了高旋转速度(4 000～6 000 r·min^-1)对接头组织与拉伸性能的影响。结果表明：旋转速度越小越容易产生孔洞缺陷,旋转速度越大越容易出现过热氧化现象,增大旋转速度有利于接头区域再结晶形成致密组织,4 mm厚铝合金板焊接接头的焊接缺陷较3 mm厚铝合金板焊接接头严重;3 mm厚铝合金板在5 000 r·min^-1旋转速度下的焊接接头质量最好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为265.82 MPa, 4.58%;4 mm厚铝合金板在6 000 r·min^-1旋转速度下的焊接接头质量最好,拉伸性能最佳,抗拉强度和断后伸长率分别为212.14 MPa, 4.03%。     

铝合金搅拌摩擦焊技术研究

论述了搅拌摩擦焊的焊接方法、工艺过程和基本原理；通过大量的工艺参数优化，解决了焊缝中的孔洞问题，使ＬＦ６板材搅拌摩擦焊的焊缝达到与母材等强，ＬＹ１２焊后未经热处理，连接强度接近母材的８０（。由金相分析可以看出，搅拌摩擦焊属于固相连接，焊缝晶粒细小，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。初步应力测试发现，搅拌摩擦焊焊缝比熔焊焊缝的残余应力低。试验研究结果表明，搅拌摩擦焊焊接过程稳定可靠，焊接接头性能良好，具有广泛的应用前景。     

不同焊接速度下2024铝合金搅拌摩擦焊接头的显微硬度与拉伸性能

对5mm厚2024铝合金板进行了不同焊接速度(20～100mm·min-1)下的搅拌摩擦焊,研究了焊接接头的显微硬度与拉伸性能。结果表明:接头在垂直于焊缝方向上的显微硬度整体呈W形分布,焊核区显微硬度高于热影响区与热机影响区的,但仍低于母材的,热影响区和热机影响区过渡位置的显微硬度最低;随焊接速度的增大,焊核区的平均显微硬度升高,焊接接头的抗拉强度和伸长率均呈先增大后略微降低的趋势;当焊接速度为80mm·min-1时,抗拉强度和伸长率均达到最大值,分别为347.2MPa和7.8%;接头在热机影响区与热影响区边界发生剪切断裂,断裂位置与显微硬度最低位置相吻合,接头的断裂方式为韧性断裂。     

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能

对4mm厚6061-T6铝合金进行了搅拌摩擦焊焊接,采用组织观察,拉伸试验和静态腐蚀失重试验对搅拌摩擦焊接头的显微组织和力学性能及腐蚀性能进行了研究。结果表明:接头焊核区发生了动态再结晶,形成了细小的等轴晶,热机影响区晶粒发生了较大程度的变形,热影响区晶粒发生了粗化;焊接速度为160mm·min-1时,接头的抗拉强度达到215MPa,为母材的76%,接头的断裂形式为韧性断裂;接头显微硬度分布曲线呈W形,沿焊缝中心线基本对称,前进边热影响区硬度低于母材的,是接头的薄弱环节;焊接速度为160mm·min-1时,焊缝的耐蚀性比母材的好。     

动车铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究

分析了动车用6005A铝合金的搅拌摩擦焊接头的显微组织及疲劳性能。研究表明:接头表面有Al2O3生成,接头焊核区是细小的等轴晶,并有"洋葱环"形貌,热影响区晶粒粗大,接头的疲劳强度低于母材,但高于MIG焊,疲劳断口为韧窝与准解理的混合断口。     

铆钉结构对铝合金板搅拌摩擦单面铆接穿透力的影响研究

利用三种基于不同铆钉穿透机理的搅拌摩擦单面铆接工艺(Friction stir blind riveting, FSBR)对AA6061-T6(厚度为1 mm)与AA6022-T4(厚度为2 mm)铝合金板进行了铆接。发现完全依靠挤压机理实现铆钉穿透的工艺(FSBR-III),其最大铆钉穿透力比另外两种同时依靠挤压与切削机理实现铆钉穿透的工艺(即FSBR-I和FSBR-II)分别高33%与83%。通过分析铆钉穿透单一工件的过程,建立了工件材料去除率与铆钉穿透力的关系曲线,并综合考虑铆钉穿透机理以及摩擦热的影响,分析了穿透过程中不同结构铆钉的穿透力变化规律。研究发现,挤压机理在铆钉穿透机理中所占比重越高,则相同材料去除率下铆钉穿透力越大,同时穿透力受摩擦热的影响越明显。此外,通过接头断面观察,发现铆钉切削性能更优异的FSBR-II,所得接头中的上下工件间隙最小;FSBR-I与FSBR-II工艺会产生切屑,而在FSBR-III连接过程中没有切屑产生。     

超声激励对6061铝合金压缩性能的影响

金属成形过程中施加超声激励可显著减小金属成形力,提高金属的变形能力和加工质量。应力叠加、温度升高和接触界面摩擦条件的改变是成形力下降的主要因素。研究了下平板施加超声激励对6061铝合金压缩性能的影响。通过调整接触界面摩擦因数、超声振幅等主要加工参数,基于ABAQUS有限元软件的隐式积分算法模拟了单轴应力情况下施加超声振动对铝合金应力-应变关系的影响规律。结果表明,超声激励降低了工件和模具间的摩擦力并使得6061铝合金材料软化。     

搅拌摩擦加工镁合金摩擦磨损性能研究

采用搅拌摩擦加工技术(Friction Stir Processing,简称FSP)对AZ31镁合金进行了表面改性,分别实验了加入纳米SiC粒子的FSP试样和没有加入粒子的FSP试样的摩擦磨损行为.研究结果表明:加入纳米SiC粒子的FSP试样的表面硬度明显高于没有加入粒子的FSP试样的表面硬度;由于纳米SiC粒子的加入,显著细化了镁合金基体的晶粒尺寸,与未加入粒子的FSP试样相比,加入纳米SiC粒子的FSP试样表现出更好的耐摩擦磨损性能.     

汽车6061铝合金材料切削加工理论及实验研究

以汽车6061铝合金材料为研究对象,采用冶金技术通过添加强化相粉煤灰制备样品,基于灰色多响应优化理论建立不同工艺参数下切削加工理论模型,同时进行不同工艺参数的实验,运用理论及实验方法研究了不同工艺参数对汽车6061铝合金材料切削加工的影响。研究表明:汽车6061铝合金材料硬度随着强化相粉煤灰增加而增加,其密度却呈现相反趋势;切削加工过程中复合汽车材料表面粗糙度随着切削速度、填充物增加而逐渐降低,表面粗糙度随着进给量增加而增加; PCD刀具切削加工的复合汽车材料表面粗糙度明显低于K10硬质合金钢刀具;理论计算值与实验值相对误差较小,验证该理论及试验方法正确性和为其在新型汽车铝合金复合材料制备及切削工艺改善等工程应用提供可行性。     

钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展

自搅拌摩擦焊发明至今,国内外开展了大量的有关搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)技术的研究与开发工作,并且已在轻合金结构制造领域得到大量实际应用。此外,基于搅拌摩擦焊原理发展而来的另一项技术--搅拌摩擦加工也得到广泛关注,并且在金属材料组织改性及复合材料制备方面显示了独特的优势。然而,由于受到高温搅拌头材料的限制,对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究相比铝合金要少了很多。本研究对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究进展进行简要概述,总结同质钢铁材料搅拌摩擦焊接、异质钢铁材料搅拌摩擦焊接、钢铁材料搅拌摩擦加工以及高温焊接工具材料等几方面的研究成果,指出其中存在的重要科学及技术问题,并对钢铁材料搅拌摩擦焊接以及搅拌摩擦加工的发展趋势及值得关注的问题进行展望。     

搅拌针形状对2A14铝合金搅拌摩擦焊接头组织和拉伸性能的影响

为深入研究搅拌针形状对搅拌摩擦焊接头显微组织和拉伸性能的影响,采用搅拌针形状不同的搅拌头对8mm厚2A14铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,研究了搅拌针形状对接头显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:增大搅拌针的"切边"深度,一方面可以增强搅拌针对材料的搅拌作用,促进材料塑性流动,有利于获得良好的焊接接头,另一方面可以增大搅拌针的动静态体积比,增强搅拌针对材料的挤压作用,增加材料的塑性变形产热,扩大焊核区及热机影响区的面积;焊核区"洋葱环"是材料流动充分的表现;搅拌针动静态体积比大于1对焊接接头拉伸性能的提高很重要,但当动静态体积比达到1.10后,继续增大动静态体积比对抗拉强度的提高效果不显著,但对断后伸长率的影响仍较明显。     

异种铝合金搅拌摩擦焊工艺研究

研究了7075/5083异种铝合金搅拌摩擦焊接头形貌及拉剪强度。采用光学显微镜对接头微观组织进行分析,研究发现焊接接头呈非对称分布,前进侧材料混合更加充分,后退侧界面附近存在孔洞缺陷;整个横截面可以分为母材、热影响区、热机影响区和焊核区,焊核区存在洋葱环形貌。拉剪实验结果表明,随着旋转速度的增加,接头的拉剪强度提升,但是由于接头存在孔洞缺陷,最高拉剪强度仅有120 MPa。     

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场的数值模型和参数影响分析

针对带圆柱搅拌针的搅拌头,推导了一种搅拌摩擦焊热源模型的一般表达式,按照滑动摩擦、粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦3种机制计算其中的摩擦应力,得到3种热源模型。采用ABAQUS软件,通过子程序实现热源模型并进行加载,建立了12.7 mm厚6061-T6铝合金板的搅拌摩擦焊温度场数值模型。数值模拟结果与实验结果的对比表明:基于粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦的模型能较好地预测温度场,两者给出的焊接稳态温度场基本一致,而基于滑动摩擦的模型预测的温度场偏高。通过改变模型参数的取值,系统地研究了边界条件、预热时间、焊接参数、搅拌头结构尺寸对温度场、产热功率和搅拌头所受力矩的影响,得到一系列规律和指标。     

6061铝合金断裂机理的原位拉伸研究

用SEM-520原位拉伸试验对不同应力状态下6061铝合金试件的断裂过程进行研究.结果表明,不同应力状态下的铝合金试样在拉伸过程中其表面均产生了大量的滑移带,但断裂机理不同.随着三轴应力度的降低,断裂从韧窝聚合型混合剪切机制向纯剪切断裂机制过渡,试件断口也由韧窝断裂模式向剪切断裂模式演变;6061铝合金晶界处为最薄弱环节,微裂纹形核于晶界,随载荷的增加,微裂纹长大和扩展.微裂纹之间通过扩展或剪切而连接导致试样断裂;试样最小断面上的三轴应力度越小,试样断口的两个面上韧窝的取向就越明显,断口越光滑.     

不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能

利用圆柱螺纹和三棱柱螺纹搅拌头对2024-T3与7075-T6铝合金进行了搅拌摩擦对接焊,并对焊缝的宏观形貌、硬度以及接头的拉伸性能、断口形貌进行了分析。结果表明:搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为80mm·min-1时的焊缝中无隧道类缺陷,且三棱柱螺纹搅拌头使得两种材料融合得较好,搭配方式为AS(2024)-RS(7075)的接头抗拉强度达到了260MPa,断裂位置为2024-T3铝合金的TMAZ区;搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为120mm·min-1且搭配方式为AS(2024)-RS(7075)时,圆柱螺纹搅拌头对应焊缝的硬度最小,仅为107HV,且拉伸断口上的韧窝数量最少、深度最浅,抗拉强度也最低,为78MPa。     

6061铝合金盒体的搅拌摩擦封装温度场研究

为明确航空电子元件盒搅拌摩擦封装过程中的温度场分布,建立了相应的温度数值模型,并在此基础上研究了不同加工参数下温度场的变化规律。结果表明:盒体上整体温度存在累积效果,焊缝峰值温度随时间增加;搅拌摩擦封装热影响区和作用范围远小于激光焊接,峰值温度更低;相比搅拌摩擦平板对接,盒体封装热源不对称性更加明显、侧壁前进侧温度更高、变化梯度更小。     

2219铝合金搅拌摩擦焊工艺及接头性能

采用搅拌摩擦焊方法对6 mm厚的2219铝合金板进行焊接,研究了2219铝合金的搅拌摩擦焊工艺和主要焊接参数对焊缝成形和接头力学性能的影响.结果表明:在旋转速度1250～1400 r·min-1,焊接速度100～140 mm·min-1时,可获得性能良好的焊接接头;对2219铝合金搅拌摩擦焊接后再固溶时效处理可有效消除接头软化区,提高接头强度.     

工艺参数对6mm厚5052铝合金板搅拌摩擦焊接头的影响

对6mm厚5052铝合金中厚板进行搅拌摩擦焊,分析了搅拌头转速和焊接速度对接头宏观形貌、拉伸性能和硬度的影响,并观察了拉伸断口形貌。结果表明:当搅拌头转速为800~1 600r·min-1及焊接速度为80~560mm·min-1时均可以获得无缺陷和力学性能良好的接头;搅拌头转速过低时,易出现"隧道"型缺陷;随搅拌头转速增大或焊接速度降低,焊核区面积逐渐减小,"洋葱环"间距逐渐增大;焊核区由细小的等轴晶粒组成,平均晶粒尺寸约为5μm,约为母材的1/10;焊接工艺参数对接头力学性能的影响不显著,在工艺范围内其接头强度均可达到母材的90%以上,显微硬度则达88%以上;断口源于接头背面的原始焊接界面,沿原始界面断裂,终于接头返回侧,呈典型的切断断口形貌。     

铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性

在焊后热处理过程中,搅拌摩擦焊接头焊核区细小的再结晶晶粒在高温下极不稳定,很容易发生晶粒异常长大降低接头性能。研究2024铝合金和7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性,结果发现：增大搅拌头转速、降低焊速有利于提高接头组织热稳定性,接头焊核区晶粒尺寸差异越小,第二相粒子尺寸越小,密度越大,接头组织热稳定性越好;降低固溶温度或缩短固溶时间可以降低晶粒异常长大程度,但接头力学性能将发生下降。对于3 mm厚2024铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=20 mm/min的焊接参数下,495℃-30 min固溶处理后接头无明显晶粒异常长大现象。对于1.5 mm厚7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=50 mm/min的焊接参数下,450℃-20 min固溶处理后接头晶粒异常长大基本得到控制,接头强度达到母材的90%。研究结果表明优化焊接工艺参数和焊后热处理工艺参数能获得较好的晶粒异常长大抑制效果,为铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能调控提供参考。     

铝合金搅拌摩擦焊的应用现状与发展趋势

一、概述 1991年英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊(FSW),从此以后,基于这种固相连接技术的明显优越性,例如:优良的接头力学性能,不需要填充焊接材料,没有焊接烟尘和飞溅,很少的焊前准备和焊接变形等,在世界范围内的国际合作中开展了大量的研究和开发工作。另外,搅拌摩擦焊可以焊接各种铝合金材料,甚至以前所谓的不可