2021年, 第42卷, 第7期　
刊出日期：2021-07-25

  

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研究论文
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  铝合金/合金钢异种金属摩擦焊接头组织与性能

  秦国梁, 马宏, 王世路, 赵衍华, 朱瑞灿

  焊接学报. 2021, 42(7): 1-8. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210103001

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  针对油气资源勘探开发用钻杆轻量化的需求，以小尺寸试棒7075-T6铝合金和37CrMnMo合金钢利用连续驱动摩擦焊技术实现连接，探索开发铝合金/合金钢轻量化复合钻杆焊接制造的可能性和可行性，研究了焊接工艺参数对接头成形、微观组织及力学性能的影响. 结果表明，接头界面铝侧的晶粒受到力和热的作用发生完全动态再结晶，而在热力影响区发生了不完全动态再结晶. 界面沿径向热力分布的不均匀导致了在中心区域没有化合物产生，但在1/2半径区域有亚微米级的化合物层生成，接头抗拉强度最大可达240 MPa. 中心区域较为平整的断裂面说明该区域是接头的薄弱环节. 因此仍需进一步调控铝合金/合金钢摩擦焊接过程，促进中心区域冶金结合，以提升接头整体强度.
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  Nd对Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点高温可靠性的影响

  吴洁, 薛松柏, 于志浩, Tan Cheeleong, 孙华斌, 徐勇

  焊接学报. 2021, 42(7): 9-13. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201211002

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  通过研究150 ℃时效条件下Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力变化和界面微观结构演变，探讨稀土元素Nd对焊点高温可靠性的影响及其影响机制. 结果表明，不同时效时间后Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力明显高于Sn-3.8Ag-0.7Cu/Cu焊点，且时效过程中Sn-3.8Ag-0.7Cu-0.05Nd/Cu焊点剪切力的下降速率低于原焊点. 这是由于0.05%Nd可将界面原子扩散系数由1.88 × 10⁻¹⁰ cm²/h降低至1.10 × 10⁻¹⁰ cm²/h，即通过抑制界面金属间化合物的粗化来提高焊点的高温可靠性.
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  电弧增材制造中空间曲面等距路径规划算法

  李鑫磊, 张广军

  焊接学报. 2021, 42(7): 14-20. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201126001

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  基于曲面分层的增材制造是目前研究热点之一. 相比于平面路径规划，在曲率任意变化的复杂空间曲面上进行路径规划算法研究较少，尤其是等距路径规划算法. 提出了一种基于体素化和曲线积分思想的空间曲面等距路径规划算法，算法主要包括体素化模型、计算体素点到源曲线的测地距离、生成增材路径等步骤. 该算法精度可控，其精度主要由模型体素化密度决定；与扫描线法相比，从根本上避免了平移路径时由于局部和全局自相交生成的无效环，提高了计算效率. 最后，选取3种典型曲面，分别为由平面组成的简单曲面、圆柱曲面、B样条曲面，进行空间曲面等距路径规划，已验证算法的适用性，并在圆筒试件上进行曲面分层GMAW电弧增材验证试验. 结果表明，该算法可以满足电弧增材制造的精度要求.
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  基于SiC模块的脉冲变极性焊接电源研制

  饶杰, 吴健文, 江东航, 唐嘉健, 王振民

  焊接学报. 2021, 42(7): 21-27. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201211001

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  SiC功率器件具备开关速度快、开关损耗低、导通损耗小等优点，有利于进一步提升焊接电源的逆变频率、响应速度，实现电弧能量的精密化控制. 设计了一套脉冲变极性逆变焊接电源，主电路采用双逆变结构，前级高频逆变电路采用SiC模块，后级低频调制逆变电路采用绝缘栅双极型晶体管 IGBT模块；设计了SiC模块驱动电路，实现了快速短路保护及米勒钳位；设计了基于ARM的全数字化控制系统，实现了PWM (pulse width modulation)以及输出电流波形的数字化控制.研制的脉冲变极性焊接电源逆变频率达到100 kHz，额定输出电流为500 A，可实现规整的脉冲变极性波形输出.结果表明，研制的基于SiC模块的脉冲变极性焊接电源能够实现稳定的焊接流程，可通过波形参数的调整有效控制焊接热输入量，获得良好的镁合金焊缝成形.
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  非对称角根焊熔透和焊后变形的规律

  岳建锋, 彭超龙, 刘文吉, 赵金涛, 李亮玉

  焊接学报. 2021, 42(7): 28-36. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20200903001

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  T形角接单侧开V形坡口的中厚板焊接具有成本低、生产效率高的特点，但这种焊缝两侧结构非对称，尤其根部结构厚度悬殊，焊接热传导差异大，不易有效保证良好全熔透成形，且焊后工件常伴随变形较大，影响后续安装使用. 为了获得非对称焊缝焊接热输入对熔透和变形的作用机制，提出考虑热输入大小和能量分配两个因素探讨对热传导规律的影响. 在温度场模拟中引入了等效双高斯热源模型，有效提升了计算精度. 采用数值模拟和试验相结合的方法，对熔透成形、应力场分布和焊件变形进行了对比分析. 结果表明，当焊接电流保持不变且焊枪角度为20°时，焊件变形量最大，焊接试件变形增加18%左右；当焊枪角度一定时，焊件变形量随焊接电流的逐渐增加而增大，最大变形量为2.595 2 mm. 相关研究揭示了非对称焊缝熔透和焊接变形规律，为此类非对称角根焊的焊接质量工艺参数优化提供理论支持.
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  基于正交试验的圆柱电极参数对电火花沉积质量影响分析

  王顺, 韩红彪, 李世康, 李梦楠

  焊接学报. 2021, 42(7): 37-43. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210131002

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  在圆柱电极与基体线接触情况下，设计并进行了电火花沉积正交试验，分析了电极直径、电极厚度和电极转速对质量转移效率、沉积效率和沉积层表面粗糙度的影响，并优化了圆柱电极参数. 结果表明，在一定试验条件下，采用圆柱电极能够获得较均匀致密的沉积层，随着电极直径与电极转速的增大，间隙放电数量增加，火花和飞溅增多，沉积层表面粗糙度增加，质量转移效率和沉积效率减小；随着电极厚度的增大，短路放电次数增多，空载数量减少，质量转移效率和沉积效率增大. 影响沉积层质量转移效率和沉积效率的主次因素按由大到小的顺序为电极直径、电极转速、电极厚度；影响沉积层表面粗糙度的主次因素按由大到小的顺序为电极厚度、电极转速、电极直径. 优化圆柱电极参数下获得的质量转移效率为82.48%，沉积效率为0.336 mg/s，表面粗糙度为0.072 mm，沉积层内部未出现裂纹和孔隙等缺陷，且与基体呈良好的冶金结合.
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  基于CEL模型的搅拌摩擦焊接7055铝合金仿真模拟

  武晓燕, 罗巍, 王怡嵩, 江海涛

  焊接学报. 2021, 42(7): 44-50,59. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20200811001

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  基于耦合的欧拉—拉格朗日(CEL)模型，建立了高可靠性、高精度的搅拌摩擦焊7055铝合金热力耦合计算模型，开展了焊接工艺参数对7055铝合金焊接接头温度、等效应变以及缺陷预测结果的影响规律的研究，并分析和讨论了搅拌摩擦焊试验验证模拟结果的可靠性. 7055铝合金搅拌摩擦焊CEL模型预测结果表明，温度和等效塑性应变与转速呈正比，与焊接速度呈反比，这主要与焊接工艺参数影响轴肩与7055铝合金的摩擦生热及材料的流动，使焊接温度和等效塑性应变值发生变化有关.当焊接速度在60 − 300 mm/min、转速在300 − 1 200 r/min范围内，焊接温度均低于7055铝合金熔点，当焊接速度增加到300 mm/min时，由于产热不足，温度和等效塑性应变均降低，此时在焊接接头处容易产生孔洞缺陷.7055铝合金搅拌摩擦焊试验结果表明，当转速为600 r/min、焊接速度为180 mm/min时，7055铝合金接头组织致密，接头抗拉强度达到489 MPa，断后伸长率为4.0%.当焊接速度提高至300 mm/min时，接头抗拉强度为411 MPa，断后伸长率仅为1.0%.这与产热不足导致接头处结合较差有关，与模拟结果一致.
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  7075铝合金MIG焊接头金相组织、力学性能和耐蚀性的应力敏感性

  徐腾, 张春芝, 鲁宽亮, 尚希昌, 王宁

  焊接学报. 2021, 42(7): 51-59. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210212001

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  作为航空航天和轨道交通领域有竞争力的一类高强高硬铝合金，7系铝合金的焊接及其性能研究引发关注. 以单面焊和双面焊7075铝合金为研究对象，对接头的金相组织、力学性能进行研究，并对其在不同应力下3.5% NaCl溶液中的耐蚀性进行对比分析. 结果表明，与单面焊工艺相比，双面MIG焊接7075铝合金焊缝的金相组织更均匀细小，但两者力学性能差别不大，断裂均发生于焊缝处. 单/双面MIG焊接接头近缝区的耐蚀性优于焊缝和远离焊缝区. 同时，双面焊提高了接头的耐蚀性. 在外加应力的作用下，试样的稳态钝化活化过程被破坏，动电位极化过程中发生了多个阳极极化过程，使腐蚀过程受应力、腐蚀电位等多种因素的共同作用.
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  Ni-CNTs增强颗粒对Sn58Bi-0.1Er焊点组织与力学性能的影响

  李琪, 刘凤美, 张雪莹, 易耀勇, 高海涛, 李丽坤

  焊接学报. 2021, 42(7): 60-65. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201221002

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  采用真空熔炼方法制备了不同Ni-CNTs含量的Sn58Bi-0.1Er钎料合金，研究不同Ni-CNTs含量对Sn58Bi-0.1Er复合钎料在Cu 基板上的润湿性能的影响，并对不同Ni-CNTs含量下接头界面处金属间化合物的组织形貌及接头的剪切性能进行了分析. 结果表明，当Ni-CNTs 增强颗粒的添加为0.01% ~ 0.05%(质量分数)时，复合钎料合金在铜板上的润湿性得到了提高，随着Ni-CNTs含量的进一步增加，复合钎料在铜板上的润湿性开始呈下降趋势；随着Ni-CNTs的加入，Sn58Bi/Cu界面金属间化合物由锯齿状的Cu₆Sn₅转变成薄层状的(Cu, Ni)₆Sn₅, Ni-CNTs增强颗粒的加入可以有效减小界面金属间化合物层的厚度；Ni-CNTs增强颗粒的加入提高了Sn58Bi/Cu接头的剪切力，当Ni-CNTs的添加量为0.1%时，接头的剪切力最高为432.86 N，较Sn58Bi-0.1Er钎料接头的剪切力提升了两倍以上. Ni-CNTs增强颗粒的添加有效地改善了Sn58Bi-0.1Er接头的力学性能.
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  搅拌头轴肩形状对6061铝合金FSW过程中轴向力的影响

  牛文涛, 谢吉林, 黄永德, 张昊, 陈玉华

  焊接学报. 2021, 42(7): 66-73. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201210001

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  为了机器人FSW工程化应用，研究搅拌头轴肩形状对轴向力的影响. 采用平面与凹面两种轴肩形状的搅拌头，对6061-T6铝合金板材进行搅拌摩擦焊，测量、记录和分析焊接过程中的轴向力，建立轴肩受力模型，综合分析轴向力的分布及变化规律. 结果表明，平面轴肩搅拌头焊接所得焊缝形貌优于凹面轴肩搅拌头；平稳焊接阶段轴向力分布曲线呈锯齿状波动，平面轴肩对应曲线的波动幅度较小；当搅拌头转速为1500 r/min、焊接速度为95 mm/min时测得轴向力最低，采用平面轴肩时所测轴向力为3 828 N，而凹面轴肩则为4 018.5 N. 分析认为凹面轴肩产生的焊接热输入较小，材料上下方向塑性流动的阻力较大，相应的反作用力也较大. 另外，根据受力分析，采用凹面轴肩焊接时，搅拌头前进方向的移动会叠加一定的轴向分力，导致凹面轴肩搅拌头焊接过程中所受的轴向力较大.
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  T92/HR3C异种钢接头的蠕变损伤演化

  王闯, 王学, 章亚林, 肖德铭

  焊接学报. 2021, 42(7): 74-81. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210106002

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  对T92/HR3C异种钢焊接接头进行温度为650 ℃、应力为90 MPa的系列蠕变中断试验，利用光学显微镜、扫描电子显微镜对经过不同蠕变寿命分数试样的显微组织和蠕变孔洞损伤进行了观察与定量，并测试了接头蠕变断裂后的硬度分布. 结果表明，T92/HR3C异种钢接头断裂在T92侧细晶粒热影响区(FGHAZ)，断裂方式为IV型开裂，接头镍基焊缝和HR3C侧未见孔洞损伤. 接头T92侧FGHAZ的蠕变损伤过程可划分为3个阶段，在蠕变初期(< 40%t_f，t_f为断裂寿命)，FGHAZ的孔洞数量很少；在蠕变中期(60%t_f ~ 80% t_f)，蠕变损伤快速积累，孔洞数量急剧增加，并出现少量微裂纹；在蠕变寿命的后期(> 80%t_f)，大量微裂纹形成并扩展形成宏观裂纹. 接头中T92侧FGHAZ的硬度最低，蠕变性能劣化最严重，加上在高温蠕变过程中存在Laves相粒子的析出和长大，促进了蠕变孔洞损伤的形成.
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  基于边缘夹角附加损失函数的熔池形貌检测方法

  谢非, 朱腾飞, 杨继全, 余圣甫, 史建军, 刘益剑

  焊接学报. 2021, 42(7): 82-90. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20201106001

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  针对弧焊增材制造过程中传统的熔池检测方法依赖经验参数、准确率低、识别时间较长的问题，提出了一种基于边缘夹角附加损失函数的熔池形貌检测方法，实现对熔池快速而精准的检测和识别. 首先，通过特征金字塔网络融合多种特征在多个尺度上表征熔池，摆脱对经验参数的依赖；其次，使用PointRend神经网络模块，基于细粒度特征及粗预测掩码对采样点优化，减少熔池目标检测及识别所需时间；再次，研究了边缘夹角附加损失函数，在角度空间上最大化分类间隔，使网络提取到的特征具有更强的可分性，进而改善模型识别的精度；最后，利用实际熔池监测数据进行试验测试. 结果表明，该方法识别精度高，精度达97.85%，当存在熔滴覆盖干扰时，也可以实现精确检测与识别；对比熔池的检测宽度和实测宽度，绝对误差在0.36 mm以内，试验结果验证了该方法的有效性和可靠性.
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  W对Fe-Cr-C-W-B系堆焊合金组织和性能的影响

  邹宗轩, 刘政军, 韩旭

  焊接学报. 2021, 42(7): 91-96. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210208001

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  机械设备的使用寿命会因为磨损而减少，因而应该提升材料耐磨性能以提高机械设备的使用时间. 利用埋弧焊机采用明弧堆焊的方法制备Fe-Cr-C-W-B堆焊合金，在一定试验条件下分析了改变药芯焊丝中W的质量比例后堆焊合金硬质相的数量以及耐磨性能的变化情况. 结果表明，当W含量提高后，堆焊层中硬质相的所占比例增加，从而显著改善其硬度和耐磨性能. 在堆焊层金属W质量分数为2.73%时，堆焊层主要含钨硬质相为FeWB，Fe₂W，FeW₃C. 当堆焊层金属W含量在5.47%时堆焊层耐磨性能达到最佳，磨损量为0.382 5 g，洛氏硬度为61.63 HRC. 当堆焊层金属W含量为6.35%时，堆焊层洛氏硬度达到最高为64.22 HRC，磨损量为0.418 2 g，由于堆焊层的淬硬性增加，在磨损过程中硬质相易脱落，导致耐磨性能稍有下降. 为了获得更好的耐磨性能，W质量分数应控制在5.47%左右.
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  2021-7 期英文摘要

  焊接学报. 2021, 42(7): 97-102.

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