2021年, 第42卷, 第3期　
刊出日期：2021-03-25

  

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  搅拌摩擦焊温度场的数字孪生建模方法

  杨诚乐, 史清宇, 武传松, 陈高强

  焊接学报. 2021, 42(3): 1-6. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201228001

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  作为制造技术数字化与智能化的关键技术，数字孪生技术的发展对现有建模方法提出了新的要求. 其中，信息与物理的实时融合是数字孪生建模方法中的关键. 以搅拌摩擦焊(FSW)为例，建立了一种可在“移动热源法”数值模拟中实时融入实测温度数据的迭代式信息-物理融合算法，并论证了基于此对焊接温度场进行实时复刻的可行性. 算例试算表明，此迭代式信息-物理融合算法具有较高的可靠性，基于迭代式信息-物理融合算法的计算得到的温度相对实测温度的平均误差在5 ℃以内. 此外，采用时间步长1.5 s或2.0 s时，计算所消耗的时间将少于焊接的物理过程时间. 这使得“移动热源法”数值模拟与FSW物理过程能够以秒级的时间精度进行同步. 因此，将传感器数据实时融入与物理过程同步的数值模拟模型，是实现焊接过程数字孪生的一种可行方法.
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  基于非等径双球堆积模型和蒙特卡罗仿真模拟的纳米铜烧结互连机理分析

  蒋大伟, 樊嘉杰, 胡栋, 樊学军, 张国旗

  焊接学报. 2021, 42(3): 7-13. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20200911003

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  为了满足第三代半导体低温封装、高温服役的要求，纳米金属颗粒烧结封装互连逐渐替代传统钎料回流焊工艺，而高致密度烧结是实现高可靠性封装的必要条件之一. 为了研究纳米铜颗粒烧结互连机理，首先通过非等径双球三维密集堆积模型构建理论颗粒配比与堆积孔隙率之间的关系，然后采用蒙特卡罗仿真模拟不同粒径比的双球模型颗粒烧结过程，最后通过纳米铜混合烧结试验来验证理论推算和仿真模拟结果. 结果表明，根据3种三维密集堆积模型估算，孔隙率最低时的颗粒粒径比在10∶1 ~ 5∶1之间；仿真模拟结果显示，粒径比为5∶1时的双球模型收缩率最大；选择250和50 nm两种粒径纳米铜进行混合烧结试验，证实烧结致密度最佳条件时的颗粒质量比为8∶1，与理论计算结果相符. 由此可见，该方法可以为纳米铜烧结在第三代半导体封装互连中的应用和工艺优化提供了理论支持.
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  等离子弧增材制造双金属交织结构微观组织及力学性能

  郭顺, 王鹏翔, 周琦, 朱军, 顾介仁

  焊接学报. 2021, 42(3): 14-19. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201125004

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  以18Ni高强钢和高氮奥氏体不锈钢为丝材，采用等离子弧增材制造高强钢-高氮钢双金属交织结构，通过对高强钢-高氮钢双金属交织结构的微观组织观察、显微硬度及抗拉强度等力学性能试验研究了双金属交织结构的组织转变特征及其与力学性能关系. 结果表明，在高氮钢区域显微组织主要为奥氏体等轴晶及树枝晶，高强钢区域为板条状马氏体. 高强钢区域硬度变化范围为480 ~ 500 HV；高氮钢区域硬度变化范围为310 ~ 320 HV. 拉伸试验结果表明，交织结构在x向抗拉强度均值为1 092 MPa，略低于y向抗拉强度1 189 MPa；x向断后伸长率均值为20.0%，与y向断后伸长率19.5%相差不大；断口呈暗灰色、明显纤维状，分布有大量的等轴韧窝，韧窝尺寸大而深，断口边缘存在明显剪切唇区，属于韧性断裂.
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  激光焊接快速凝固Ni₅₁Ti₄₉形状记忆合金显微组织和相变行为

  曾才有, 董春林, 张宇鹏, 张新平

  焊接学报. 2021, 42(3): 20-25. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20200731001

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  文中研究了快速凝固Ni₅₁Ti₄₉形状记忆合金条(厚度1 mm)的激光焊接工艺，以及焊缝成形、接头显微组织演变、硬度分布和马氏体相变行为. 结果表明，激光功率和焊接速度对焊缝成形有显著影响，采用激光功率为700 W、焊接速度为8 mm/s的焊接工艺实现焊缝区完全熔透，并获得熔合面积适中、缺陷较少的高质量接头；激光焊接导致接头各区域呈现显著的组织不均匀性，其中母材区保留快速凝固工艺的细晶、强织构显微组织特征，热影响区为粗大等轴晶和柱状晶构成的混合晶组织，焊缝中心区为粗大的柱状晶. 激光焊接后热影响区和熔合区的维氏硬度相对母材有显著降低，其中熔合区的平均硬度最低，其值为311 HV ± 14 HV. 接头经500 ℃保温1 h无应力时效处理后，接头各区域组织的相变行为明显不同，其中冷却过程中母材区发生常规两步马氏体相变(B2–R–B19′)，而焊缝区呈现多步马氏体相变行为，即先发生一步B2–R相变，随后发生两个独立的R–B19′相变.
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  EQ70钢激光电弧复合焊焊接热循环及其对热影响区组织演变的影响

  鲍亮亮, 王勇, 张洪杰, 徐良, 韩涛

  焊接学报. 2021, 42(3): 26-33. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201207002

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  采用Visul Environment 软件建立了EQ70钢激光电弧复合焊的三维模型，并利用SYSWELD软件对激光电弧复合焊焊接温度场进行了有限元数值模拟，结合热电偶测温法和热影响区的微观组织表征分析了激光电弧复合焊热循环特点及其对热影响区组织演变的影响. 结果表明，采用双椭球体+峰值递增锥体组合型热源可以准确模拟复合焊温度场，电弧区、过渡区、激光区相同热影响区微区具有相近的热循环，热影响区加热速度可达400 ℃/s，1 100 ℃以上停留时间为0.79～1.33 s，t_8/5为4～6 s. 粗晶区、细晶区组织为板条马氏体，临界区组织为马氏体+晶界碳化物，亚临界区组织为回火马氏体. 激光电弧复合焊具有快速加热、高温停留时间短的特点，在一定程度限制了奥氏体晶粒的长大，粗晶区和细晶区平均晶粒尺寸分别为42.7，19.8 μm.
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  合金元素对铜/钢接头连接机理及性能的影响

  李继红, 张云龙, 杜明科, 张敏, 李静, 雷龙宇

  焊接学报. 2021, 42(3): 34-41. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201102001

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  采用HS201实心焊丝、Cu-Si药芯焊丝、Cu-Ni药芯焊丝3种不同的焊接材料对T2铜和304不锈钢异种金属进行了熔化极气体保护焊接试验. 主要研究了合金元素(Si，Ni)对T2铜/304不锈钢连接机理及焊接接头微观组织、力学性能的影响. 结果表明，采用3组焊丝得到的焊缝成形良好，且焊接接头的横截面均未出现明显的宏观缺陷；HS201焊接接头和Cu-Si焊接接头的钢母材与焊缝交界处均发现了明显的过渡区域，其组织可分为富铁相和富铜相；Cu-Ni焊接接头中不存在明显的过渡区域，且焊缝中出现了较多的富铁相，多以树枝晶的形态存在；Si，Ni元素可以显著提高焊缝的冲击韧性，其中Cu-Ni焊缝的室温冲击吸收能量最高(A_KV=54 J)，可达铜母材的83%以上；Cu-Ni焊接接头的焊缝区中，硬度值较高的区域占比最大，Cu-Si焊接接头次之.
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  一种电火花沉积接触力自动控制装置和沉积试验

  王顺, 童金钟, 韩红彪

  焊接学报. 2021, 42(3): 42-47. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201108001

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  为了研究接触力对电火花沉积过程的影响，设计了一种电火花沉积接触力自动控制装置，进行了不同接触力下的自动沉积试验，分析了不同接触力下的沉积效率、质量转移效率、沉积层表面形貌和各种放电波形的数量等. 结果表明，接触力为1.0 N时，取得了较大的沉积效率和质量转移效率，沉积层的表面质量也较好. 设计的电火花沉积接触力自动控制装置能够恒定保持电极与工件之间的接触力，实现电极的自动进给. 接触力的变化改变了电极与工件的接触状态，随着接触力的增大，自动沉积过程产生的火花和飞溅减少，短路放电数量增加而接触放电数量减少，从而影响自动沉积效率和沉积层的质量. 在一定试验条件下，选择合适的接触力，可提高沉积效率和质量转移效率，获得较好的沉积层质量.
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  铝合金双轴肩搅拌摩擦焊过程材料流动行为

  刘西畅, 李文亚, 高彦军, 温泉

  焊接学报. 2021, 42(3): 48-56. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201228002

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  由于下轴肩的引入，双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)过程中的材料流动行为较常规搅拌摩擦焊更为剧烈和复杂，显著影响接头力学性能. 以2219铝合金为研究对象，基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了BT-FSW过程三维热力耦合模型，并利用示踪粒子技术分析了焊接过程中材料的流动行为. 结果表明，BT-FSW过程中的材料流动存在不同时性，靠近轴肩的材料先开始运动，且流动剧烈，随着逐渐远离轴肩位置，材料流动愈加滞后，但流动状态更加平稳；水平方向上前进侧材料作为剪切层内侧材料，绕搅拌针旋转后大部分沉积于搅拌头后方前进侧区域，而后退侧材料仅受到剪切层内侧材料的带动，进而被旋推至后方沉积；厚度方向上塑性材料在抵达搅拌头后方焊缝中心线前流动较弱，随后材料受到上、下轴肩挤压向板材中心流动.
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  环境压力对GMAW电弧电离度的影响

  黄继强, 汪继宗, 薛龙, 黄军芬, 亓浩, 郭力玮

  焊接学报. 2021, 42(3): 57-62. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201114001

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  电离度是表征电弧特性的重要指标之一，借助电离度来分析高压GMAW焊接过程，为高压GMAW焊接过程稳定性问题研究提供了一个新的视角. 采用光谱仪测试高压GMAW电弧空间点的光谱数据，使用Boltzmann法和Saha热电离公式计算出测量点的电弧电离度，从而获得高压GMAW电弧电离度的分布特征及其随环境压力的变化特性. 结果表明，随着环境压力增大，高压GMAW电弧电离度呈明显下降趋势，高压GMAW电弧电离度的减小意味着电弧空间中起导电作用的带电粒子比例减小，维持电弧稳定燃烧的难度增大，电弧稳定性下降. 另外，焊接电流增大有助于提高高压GMAW焊接过程的稳定性.
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  5056铝合金稳恒磁控激光深熔焊接过程熔池流动与传热行为分析

  陈纪城, 陈小梅, 常怡婷, 刘学军, 魏艳红

  焊接学报. 2021, 42(3): 63-69. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201217003

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  针对外加稳恒磁场条件下6 mm厚度5056铝合金激光深熔焊接过程，建立了热场—流场—电磁场耦合熔池瞬态动力学数值模型，求解了特定时刻温度场、速度场与电磁场分布，建立了熔池沿不同方向的Peclet数模型，分析了不同磁场感应强度对熔池流动与传热行为的影响. 结果表明，稳恒磁场条件下熔池中产生显著的哈特曼效应，表现为液态金属Marangoni对流减弱，流速降低，热对流机制对熔池形貌的贡献减弱，使得熔池沿焊接方向长度明显收缩，固—液界面曲率减小；同时，磁控熔池表面及内部出现热迟滞效应，表现为液相峰值温度升高，温度梯度增大，热扩散速率提高，熔池的局部尺寸得以增大. 铝合金磁控激光深熔焊过程焊缝形貌的变化是哈特曼效应与热迟滞效应共同作用的结果.
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  石墨电极-铜导线低温钎焊连接方法

  黄晓猛, 齐岳峰, 柳旭, 王炜, 王峰

  焊接学报. 2021, 42(3): 70-76. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201210003

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  设计一种石墨中温活性金属化和低温软钎焊方法，实现电导率传感器中石墨电极与漆包铜导线异质材料连接. 通过采用Ag-Cu-Ti合金焊膏实现对石墨表面进行真空活性金属化，再采用Sn-Ag合金药芯焊丝低温钎焊石墨金属层与漆包铜导线；利用金相显微镜、扫描电子显微镜、能谱仪对石墨金属层、石墨金属层/无氧铜反应界面的微观组织、相组成和元素扩散进行了分析，用万能拉伸机对石墨-无氧铜钎焊接头结合强度进行了测定. 结果表明，Ag-Cu-Ti合金焊膏在石墨表面作用明显，生成TiC化合物组成的反应层；留在石墨表面的钎料层，厚度约为60 μm；Sn-Ag合金钎料与石墨金属层润湿良好，润湿角为16°，中间反应层以Ag₃Sn金属间化合物为主；钎料与金属导线结合层由Cu₃Sn(ε相)和Cu₆Sn₅(η相)组成，钎焊接头抗拉强度为39 MPa，力学性能满足石墨电极与漆包铜导线连接可靠性的相关需求.
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  超导腔束管与法兰接头处Nb/Nb55Ti焊接工艺试验

  陶嘉, 吴杰峰, 刘志宏, 马建国, 刘振飞

  焊接学报. 2021, 42(3): 77-84. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201118002

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  超导腔是粒子加速器的核心部件，目前国内外针对超导腔的焊接研究主要集中于半单元间的纯Nb对接接头. 对于超导腔束管与法兰间的焊接研究较少，为了探索该接头处异种材料的焊接工艺，采用Nb板与Nb55Ti板垂直搭成的L形接头来模拟超导腔电子束焊接时束管与法兰的接头，在8，12，20 mA束流下进行试验，焊后对不同束流参数下接头的宏观形貌、微观组织、化学成分和显微硬度进行了对比分析. 结果表明，焊接电流为12 mA时焊缝成形较好，焊接电流较大时Nb侧热影响区晶粒长大较为明显；3组试样焊缝熔化边界处出现了晶粒外延生长的现象，随着焊接电流的提高，熔合线附近出现了粗大的柱状晶；在热输入较大时熔池内液态金属混合充分，焊缝宏观偏析得到改善；焊后Nb侧热影响区显微硬度值出现了明显的下降.
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  Ti对SiC_p/6092铝基复合材料激光焊焊缝组织和性能的影响

  朱强, 赵文涛, 雷玉成, 李洪亮, 韦朋余

  焊接学报. 2021, 42(3): 85-90. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201003002

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  采用不同厚度的Ti箔作为填充材料对SiC_p/6092铝基复合材料进行激光焊接，分析不同含量Ti元素对焊缝组织和焊接接头力学性能的影响. 结果表明，Ti箔的加入可以有效改善熔池流动性，从而减少焊缝区的工艺型气孔. 同时，填加Ti箔可以避免激光直接照射在母材上引起的低熔点元素烧损. 在激光的照射下，Ti箔完全熔化并与在热传导作用下部分熔化的母材金属发生冶金反应，Ti元素含量过少时，界面反应得不到有效抑制，焊缝中仍分布有大量的脆性相，Ti元素对焊接接头的力学性能改善不明显；Ti元素含量过多时，Ti元素在熔池中未能扩散开，富余的Ti元素与Al元素反应生成Al₃Ti. 过分长大的Al₃Ti呈片状，将对接头的力学性能不利. 因此，向熔池中加入适量Ti元素有利于改善熔池冶金反应，从而提升接头力学性能，焊接接头的最大抗拉强度可达206 MPa.
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  复杂铝合金焊接结构的残余应力数值模拟分析

  张月来, 彭章祝, 常茂椿, 胡龙, 潘国昌, 徐博

  焊接学报. 2021, 42(3): 91-96. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201215001

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  以SYSWELD有限元软件为平台，开发了基于瞬间热源的高效计算方法来模拟复杂铝合金结构的焊接残余应力. 首先以6061铝合金平板堆焊接头为研究对象，分别采用移动热源和瞬间热源计算接头的焊接残余应力，对比两者的计算结果验证瞬间热源法的有效性. 随后，将所开发的高效计算方法用于模拟6系铝合金复杂结构的焊接瞬态应力和残余应力，并将计算结果用于分析实际产品制造中开裂问题的原因，并提出了两种减缓和防止铝合金结构开裂的方案，即减小焊接热输入和增大开裂位置型材的板厚. 结果表明，铝合金结构在焊接生产制造过程中发生开裂是由该位置产生了高瞬态拉伸应力所致. 降低关键焊缝焊接热输入和增加型材板厚，均对结构开裂位置的瞬态焊接应力有一定程度的改善，且增加型材厚度的改善效果更好.
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  2021-3期英文摘要

  焊接学报. 2021, 42(3): 97-104.

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