最新刊期

2023 年第 3 期

搅拌摩擦焊接

铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接传热与材料流动行为
耿培皓,秦国梁,马宏,麻宁绪
2023, 53(3): 1-14. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.01

摘要：基于耦合欧拉-拉格朗日有限元法数值模拟了铝合金5052与高强钢DP590搅拌摩擦搭接过程中的温度场演变和材料流动行为。结果表明，有限元预测温度场和焊缝变形轮廓与实验测量结果吻合良好。当移动速度保持300 mm/min恒定不变时，随着转速由500 r/min增至1 000 r/min，搅拌区峰值温度位置由前进侧的轴肩后方的铝合金表面转移至搅拌针底部与钢搅拌区的界面，峰值温度由545 ℃增加至635 ℃；在焊接过程中，前进侧温度始终高于后退侧温度，与转速无关。采用示踪粒子法研究材料迁移轨迹，发现前进侧铝合金从更靠近搅拌针的内侧剪切层绕过搅拌针填埋在搅拌针前进侧后方，而后退侧铝合金主要迁移至搅拌针后退侧后方，迁移轨迹比较发散；搅拌针作用在铝/钢搭接面，驱使前进侧钢材料迁移至搅拌针后退侧后方，并在垂直方向上挤入上侧铝合金焊缝区。随着搅拌针转动，由前进侧迁移至后退侧的钢材料最终促使后退侧形成尺寸较大的钩状结构。相比于铝合金侧，转速的增加更为显著地加强了钢表面的材料流动。
关键词：搅拌摩擦焊;异种连接;有限元计算;温度场;材料流动

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发布时间：2023-04-03
搅拌摩擦焊界面摩擦及材料流动行为仿真
乔俊楠,史清宇,陈树君,韩阳,杨诚乐,周梦然,陈高强
2023, 53(3): 15-21. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.02

摘要：采用计算流体力学（CFD）方法研究了6061铝合金搅拌摩擦焊过程中的界面摩擦行为与材料流动行为。通过在搅拌头-工件界面采用剪切力边界条件，实现了焊接过程中界面摩擦与材料流动的完全耦合分析。结果表明，搅拌头与工件间的界面摩擦行为呈现显著的非均匀特征：轴肩芯部及环形槽内呈近似黏着摩擦，轴肩外缘区域呈滑动摩擦；搅拌针侧面呈现不同程度的滑动状态，界面滑动比例随其到轴肩的距离增加而增加。摩擦界面附近存在厚度为0.66~4 mm的低粘度区。在低粘度区，工件上部材料流动速度可达0.17 m/s，应变率可达85.7 s^-1；在工件下部材料流动速度可达0.017 m/s，应变速率可达11.7 s^-1。从材料流经低粘度区的流动路径来看，搅拌摩擦焊过程材料流动呈现多圈旋转及直通两种模式。仿真得到的温度、低粘度区形状及标记材料沉积位置均得到了实验结果的印证。
关键词：计算流体力学;界面摩擦行为;材料流动;低粘度区

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发布时间：2023-04-03
热塑性复合材料/金属搅拌摩擦焊研究进展
王振民,李琰,毕晓阳,徐孟嘉
2023, 53(3): 22-30. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.03

摘要：热塑性复合材料作为新型轻质材料，已经广泛应用于航空航天领域。金属与热塑性复合材料的异种材料连接因其能充分发挥两种材料各自的特性而备受关注。搅拌摩擦焊作为一种低热输入的焊接技术，在金属与热塑性复合材料异种焊接领域有广阔的应用前景。从热塑性复合材料与金属的搅拌摩擦焊焊接方法、炉具设计、焊接工艺参数以及连接机制等方面综合国内外研究成果进行系统性的综述，并对热塑性复合材料/金属异种搅拌摩擦焊的未来发展趋势做出展望。
关键词：搅拌摩擦焊;热塑性复合材料/金属异种接头;焊接工艺;炉具设计;连接机理

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发布时间：2023-04-03
火箭贮箱焊接缺陷修复技术研究现状
马领航,李波,赵彦广,宋建岭,高世康,李雨,许子彦,周利
2023, 53(3): 31-45. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.04

摘要：贮箱作为运载火箭的重要组成部件，其在服役时承受着振动、突风与冲击等随机载荷，保证箱体结构的可靠连接尤为重要。在实际生产中，焊接处的缺陷既破坏了接头的连续性，降低了其有效承载面积，又造成了局部的应力集中，从而直接降低火箭的可靠性。因此，针对焊接缺陷的修补是必要的。重点介绍了国内外几种常用的贮箱箱体焊接缺陷修补技术，从不同修补技术的特点入手，回顾了其发展应用过程，对其应用对象、修补后性能提升效果等进行分析。系统地总结了不同修补方法的现存问题，对未来贮箱焊接结构缺陷修补技术的发展方向进行了展望。
关键词：火箭贮箱;焊接缺陷修复;熔焊;固相焊

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发布时间：2023-04-03
铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型工艺研究进展
程哲闻,张可,吕晓辉,蒋元宁,石磊
2023, 53(3): 46-53. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.05

摘要：铝锂合金拥有较高的比强度和比刚度以及高损伤容限，且耐蚀性好、低温疲劳性能优异，是航空航天、轨道列车等领域实现构件轻量化的理想结构材料之一。搅拌摩擦焊是高强铝锂合金焊接成形的优选方法之一。首先探讨了铝锂合金熔化焊接的特点及难点，然后分析了铝锂合金的搅拌摩擦焊接的研究现状及挑战，随后讨论了国内外学者对铝锂合金搅拌摩擦焊接改型工艺的相关研究进展，最后对铝锂合金搅拌摩擦焊接的未来研究方向进行了展望。
关键词：铝锂合金;搅拌摩擦焊;微观组织;接头性能;超声辅助搅拌摩擦焊;双轴肩搅拌摩擦焊

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发布时间：2023-04-03
超厚铝合金水流冷却搅拌摩擦焊接头非均质微观组织特征分析
夏佩云,周佳芬,尹玉环,封小松,徐耀钟,何建利,吴伟,唐杰
2023, 53(3): 54-61. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.06

摘要：针对108 mm超厚5A06（H112）铝合金，采用水流冷却搅拌摩擦焊接方法解决了轴肩影响区因过热导致的孔洞缺陷，对接头全厚度的微观组织特征进行了测试分析。结果表明，双面焊缝组织具有上下对称性，在厚度方向仍存在微观组织的不均一性；对于单道焊缝，焊核区不同厚度位置的晶粒尺寸、金属化合物尺寸分布存在差异；近表面焊核区（NZ-upper）以及焊核重叠区（OZ）晶粒尺寸最小，金属化合物颗粒尺寸最小呈弥散分布；距离表面7~22 mm深度中上部焊缝存在粗晶区，区域内Al₃Mg₂颗粒有所长大，其与后退侧TMAZ的过渡位置发现线状偏聚的β相Al₃Mg₂、氧化物以及Mg₂Si。采用一种水平方向塑性材料堆积模型解释了金属化合物线状偏聚形成机制。
关键词：超厚板;双面搅拌摩擦焊;微观组织;金属化合物;偏聚;材料流动

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发布时间：2023-04-03
5083铝合金与304不锈钢异种材料涡流搅拌摩擦搭接焊工艺研究
罗璟玥,周咏琦,刘小超,贾娈娈
2023, 53(3): 62-71. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.07

摘要：为解决铝/钢常规搅拌摩擦焊中搅拌头的磨损和断裂问题，对5083铝合金和304不锈钢进行涡流搅拌摩擦搭接焊工艺试验。通过焊缝表面形貌、接头力学性能和横截面界面组织分析，研究倾角、转速和焊速对涡流搅拌摩擦搭接焊接头质量的影响规律。结果表明：在低转速和低焊速条件下，获得了较好的焊缝表面成形；在转速不变的条件下，随着焊速的提高，界面可承受的拉剪载荷逐渐降低；在焊速不变的条件下，随着转速的提高，界面可承受拉剪载荷先略微增大后减小并维持稳定；搅拌工具以2.5°倾角进行涡流搅拌摩擦焊接时，相较于无倾角条件，可以获得更大的焊缝成形工艺参数窗口和更好的冶金结合强度；5083铝合金和304不锈钢界面结合的主要方式为Al原子向不锈钢中扩散，低转速-低焊速组合下形成的扩散层相对更厚。
关键词：搅拌摩擦焊;铝/钢异质接头;旋涡式材料流动;力学性能;焊接速度

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发布时间：2023-04-03
协同双面搅拌摩擦焊接6061铝合金工艺
唐益爽,邹阳帆,李文亚,王卫兵,褚强,朱永山,汪庚
2023, 53(3): 72-77. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.08

摘要：针对常规顺序双面搅拌摩擦焊接（DS-FSW）的变形大、耗时长等问题，提出了一种协同双面搅拌摩擦焊接（SDS-FSW）技术，并通过研制的设备研究了SDS-FSW 6061铝合金接头的微观组织和力学性能。结果表明，当主轴转速为1 800 r/min，焊接速度为1 200 mm/min时，SDS-FSW焊接接头缺陷较相同焊接参数下DS-FSW接头的有所改善；在该焊接参数下，SDS-FSW接头的变形量（0.15 mm）远小于DS-FSW接头的变形量（1 mm），且接头的拉伸性能更好，SDS-FSW和DS-FSW接头的最大拉力分别为36.8 kN和34.9 kN。
关键词：双面搅拌摩擦焊接;协同双面搅拌摩擦焊接;6061铝合金;微观组织;力学性能

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发布时间：2023-04-03
工业纯钛摩擦螺柱焊接头组织与性能研究
秦丰,乌彦全,张春波,周军,王祁,杨海峰,王志永
2023, 53(3): 77-82. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.09

摘要：为解决传统电弧螺柱焊焊接大直径（M≥12 mm）有色金属时焊缝合格率低、焊接工艺繁琐等问题，提出采用静龙门式搅拌摩擦焊设备配合专用螺柱焊工装对尺寸为M12、材质为TA2的工业纯钛螺柱与底板进行焊接。并对三组不同顶锻位移下的工业纯钛螺柱焊接头进行宏观形貌、显微组织、抗扭强度与显微硬度分析。结果表明，在顶锻位移较小的情况下，TA2螺柱焊接头焊缝中心出现孔洞缺陷，顶锻位移中等的情况下焊缝中心出现条状缺陷，而较大参数下接头焊合良好，未发现缺陷；顶锻位移为3 mm时接头抗扭强度最高，可达117 N·m；锻造变形组织使焊缝附近区域显微硬度明显升高。
关键词：摩擦螺柱焊;工业纯钛;宏观形貌;显微组织;顶锻位移;抗扭强度

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发布时间：2023-04-03
水下搅拌摩擦焊改善中厚度铝/镁成形和性能的研究
黄体方,万龙,高祎晗,黄永宪
2023, 53(3): 83-90. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.10

摘要：以厚度6 mm的铝/镁异种材料的搅拌摩擦焊为研究对象，分别在空气以及26.5 ℃和5 ℃的水下环境下进行焊接，对比研究不同环境下的接头的微观组织、接头性能，并对粘头机理进行探究。结果表明，水下搅拌摩擦焊能够有效降低焊接过程温度，抑制脆性Al-Mg金属间化合物的长大，缓解搅拌头粘头现象，能有效改善焊缝成形和接头力学性能。5 ℃冷却水环境下得到的铝/镁搅拌摩擦焊接头的拉伸性能和延伸率最高，达到129.3 MPa和4.4%，分别是常规空冷接头的1.8和3.9倍。同时揭示了搅拌头粘着材料主要由Mg₂Al₃和Al固溶体组成，说明搅拌头粘头现象与Al-Mg金属间化合物的生成直接相关。
关键词：铝/镁;异种材料连接;水下搅拌摩擦焊;金属间化合物;拉伸性能

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发布时间：2023-04-03
搅拌针偏移量对铝/铜异质金属搅拌摩擦焊接过程和接头组织性能的影响
宿浩,李雪,赵庆桢,陈姬,武传松
2023, 53(3): 91-100. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.11

摘要：采用搅拌摩擦焊接技术对2 mm厚6061铝合金和紫铜合金异质金属进行对接试验，研究搅拌针偏移量对铝/铜异质金属接头组织和性能的影响。研究发现，由于铝和铜两种材料的流动性存在差异，随着搅拌针由铝侧向铜侧偏移，搅拌头-工件界面的温度无明显变化，而焊接过程中的前进阻力显著增大，且接头机械互锁程度也更加充分。对铝/铜异质接头微观形貌进行扫描电子显微镜分析，发现铝/铜界面处的金属间化合物层呈清晰的双层结构，分别为靠近铝侧的Al₂Cu层和靠近铜侧的Al₄Cu₉层，此外金属间化合物还以颗粒状和条带状等形貌分布在铝/铜界面附近。搅拌针偏向铜侧0.5 mm时得到的铝/铜异质接头机械互锁程度和金属间化合物分布最为理想，接头抗拉强度达到200 MPa。
关键词：搅拌摩擦焊接;铝/铜异质接头;搅拌针偏移量;金属间化合物;力学性能

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发布时间：2023-04-03
低活化铁素体/马氏体钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能
高焓,周佳芬,梁旭东,王笑含,尹玉环,包云峰,崔雷
2023, 53(3): 101-110. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.12

摘要：对5 mm厚度的低活化铁素体/马氏体钢（Reduced activation ferritic/martensitic steel，RAFM）进行了搅拌摩擦焊接，通过焊接接头的高温蠕变实验，研究低活化钢搅拌摩擦焊接头的高温蠕变性能与失效机理。结果表明，低活化钢搅拌摩擦焊接头高温力学性能良好。合金元素W和Ta含量高的RAFM钢的接头高温蠕变寿命更长，原因是Ta和W在高温环境中形成了更多的析出相，包括MX相和Laves相，对位错滑移的阻碍作用更强。650 ℃的蠕变寿命远远短于600 ℃的原因可能是，高温使得位错非常容易发生滑移，在Laves相还没有长大、MX相对位错滑移的阻碍作用不够强的情况下，在某些部位形成了密集的蠕变孔洞，造成有效横截面积急剧减少，应力集中严重，引发裂纹导致断裂。
关键词：搅拌摩擦焊;高温蠕变性能;焊接接头;低活化铁素体/马氏体钢

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发布时间：2023-04-03
中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊焊接残余应力及微观组织演变
赵刚,蔡乃星,刘旭升,刘涛,张士军,谢冬
2023, 53(3): 111-116. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.13

摘要：为了研究双轴肩搅拌摩擦焊缝内部焊接残余应力的大小及分布情况，本研究采用短波X射线衍射进行焊接件内部残余应力的无损检测分析；采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射（Electron Back-scattering Patterns，EBSD）对焊缝的前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机械影响区和焊核区的组织结构演变进行了分析。金相观察结果显示双轴肩搅拌摩擦焊的接头组织在厚度方向上近似于对称分布，呈“腰鼓形”，焊核区与热机影响区的界面为近似双曲线，前进侧热机影响区的分界线更明显。EBSD扫描结果显示热影响区、热机械影响区均存在较强的形变组织；焊核区在剪切变形和焊接循环热的双重影响下发生了动态再结晶，主要为弱取向组织，小角度晶界含量较大。短波X射线衍射结果表明，双轴肩FSW焊接板内部板厚中心层，纵向方向残余应力均大于横向方向；沿着焊缝，拉应力较大区间位于距焊缝起始端150~250 mm的范围内，最大拉应力为244 MPa。
关键词：双轴肩搅拌摩擦焊;2219铝合金;微观组织;残余应力

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发布时间：2023-04-03
2A14铝合金FSW焊缝背部线状缺陷返修工艺
许辉,刘宽,徐耀钟,于文凯,刘婷,王笑含,徐雪华
2023, 53(3): 117-123. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.14

摘要：针对2A14铝合金搅拌摩擦焊（FSW）焊缝背部线状缺陷，设计了4种不同的方案对其进行返修，分析了不同返修方法对焊缝缺陷消除、接头力学性能以及接头组织的影响，研究了其焊缝背部缺陷返修的工艺特性。结果表明，4种方法均可消除未焊透缺陷。直接采用FSW返修可返修4次，但多次返修会造成焊缝减薄，抗拉强度下降，重复搅拌摩擦焊对焊缝组织影响较小；打磨焊缝背部缺陷后，采用TIG焊填料焊缝正面后再进行FSW返修，焊缝无明显减薄，抗拉强度有一定的下降，且2次返修的抗拉强度较一次有明显下降，次数应不超过2次，焊缝中残留的熔焊支状晶降低了返修后的接头性能；打磨后采用TIG焊填料并修平后进行FSW返修，两次返修接头强度未出现降低，熔焊填料的组织能够全部转化为FSW组织；打磨背部缺陷后TIG填料也能消除未焊透缺陷，但出现了明显的气孔甚至裂纹缺陷，强度严重下降，不宜采用。此外，选用较大的尺寸的搅拌头有助于维持焊缝强度。
关键词：2A14铝合金;搅拌摩擦焊;背部线状缺陷;返修

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发布时间：2023-04-03
2A12-T4/7A09-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头性能研究
方远方,张丽娜,陆云鹏,张中平,朱贺
2023, 53(3): 124-129. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.03.15

摘要：采用机器人搅拌摩擦点焊设备对1.2 mm厚2A12-T4铝合金与4 mm厚7A09-T6铝合金板材进行回填式搅拌摩擦点焊试验，并对焊后试样进行X光检测、力学抗拉力检测，对焊点内部组织进行光学显微镜、扫描电镜观测。试验结果表明：当下扎/回填速率为30 mm/min时，试样抗拉力较低，当下扎/回填速率为40 mm/min、50 mm/min时，试样抗拉伸力较高，且随转速升高的变化趋势相近，试样最高抗拉力出现在转速2 100 r/min、速率40 mm/min时；焊点外缘结合区是材料结合最薄弱区域，若该区域表面出现缺陷，则焊点力学性能较差，该区域表面平整，则焊点力学性能高；试样断裂方式均为薄板一侧出现“穿孔”，焊点完整留在厚板一侧，断口断裂机制为韧性断裂、晶间滑移与脆性断裂相互作用的混合断裂。
关键词：搅拌摩擦点焊;2A12铝合金;7A09铝合金;力学性能

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发布时间：2023-04-03

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