2022年, 第43卷, 第12期　
刊出日期：2022-12-25

  

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研究论文
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  先进功能材料钎焊连接研究进展

  常青, 张丽霞

  焊接学报. 2022, 43(12): 1-11. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220819001

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  以复相陶瓷、纤维增强陶瓷基复合材料以及热电材料为例，从钎料成分设计、钎缝界面组织调控、接头残余应力缓解以及钎焊接头性能评测等角度，讨论了近年来发表的研究成果. 结果表明，在钎料中添加活性元素以及对母材表面改性的方法，能够有效改善钎料润湿性和界面结合强度；对于界面元素扩散以及母材过渡溶解的问题，可以设计制备复合钎料或阻隔层进行解决；接头残余应力的大小受材料热膨胀系数差异的影响较大，目前已提出了多孔中间层、梯度复合层以及母材表面机械加工等多种创新方法，但研究成果的应用仍停留在小尺寸样件，对于缓解大尺寸接头的残余应力问题仍有待解决. 最后对相关研究方向进行了总结和展望，期望推动航空航天构件连接的发展进程.
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  低功率激光-双电弧焊接钛合金中厚板工艺及机理

  杨环宇, 徐信坤, 巴现礼, 陶星空, 刘黎明

  焊接学报. 2022, 43(12): 12-19. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211212001

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  采用单钨极惰性气体保护焊(single tungsten inert gas welding，STIG焊)、双钨极惰性气体保护焊(double tungsten inert gas welding，DTIG焊)、激光-STIG电弧(L-STIG)复合焊和激光-DTIG电弧(L-DTIG)复合焊4种方式对6 mm 厚TA2钛合金进行对接焊试验，实现单面焊双面成形. 结果表明，L-DTIG复合焊的电弧能量更为集中，焊接速度可达680 mm/min. L-DTIG复合焊的热输入为605.5 J/mm，仅是DTIG焊的35.5%和L-STIG复合焊的59.0%. L-DTIG复合焊接头的焊缝区晶粒细小，显微硬度可达229.5 HV. 拉伸试样在母材处断裂，接头抗拉强度优于母材. 加入激光后，L-DTIG复合焊的电弧等离子体中心导电区在xOz和yOz平面电弧分别收缩51.0%，45.5%，电弧根部收缩75.0%. 测得L-DTIG复合焊热源在工件上的电弧压力为3 465 Pa，分别是DTIG焊和L-STIG复合焊的4.17和2.25倍. 较高的电弧收缩比和电弧压力可显著提高焊接效率，降低焊接热输入.
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  Al和Mg元素对吉帕级熔敷金属组织和力学性能的影响

  栾宗锋, 邸新杰, 利成宁, 王佳美

  焊接学报. 2022, 43(12): 20-26. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211201001

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  针对吉帕级熔敷金属韧性不足的现状，设计了4组焊丝，研究了Al，Mg元素对金属粉芯焊丝熔敷金属组织和力学性能的影响. 采用扫描电子显微镜对熔敷金属的显微组织进行了表征，通过力学性能测试表征了熔敷金属的力学性能. 结果表明，熔敷金属主要由马氏体、贝氏体构成. 随着熔敷金属中Al，Mg元素的添加量由0Al-0Mg增加至0.3Al-0.9Mg，其氧含量由0.0308%降为0.0143%，聚合贝氏体含量减少，板条马氏体含量增加. 夹杂物由传统的以Fe，Al，Si，Mn等元素的氧化物转变为以Al，Mg氧化物为主的球形细小夹杂物(MgO·Al₂O₃). 0.3Al-0.9Mg组与0Al-0Mg组相比较，夹杂物的平均尺寸降低了0.13 μm，抗拉强度增加了152 MPa，冲击吸收能量增加了11 J (−20 ℃).
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  铝合金表面电弧喷涂Ag基涂层及其低温钎焊行为

  肖勇, 程钊, 周建军, 张建, 罗丹, 李明雨

  焊接学报. 2022, 43(12): 27-34. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211208003

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  在波导器件中，铝合金壳体较差的润湿性制约了其与微带电路板之间大面积、可靠低温钎焊连接. 通过电弧喷涂技术在5A06铝合金表面制备了厚度约为80 μm的Ag-15%Ni(质量分数)单一涂层和Ni-5%Al/Ag-15%Ni(质量分数)复合涂层，以提升Sn-Pb钎料在其表面的润湿性. 对比研究了两种涂层的显微结构、涂层界面结合性能、低温钎焊行为及钎焊接头剪切失效机制. 结果表明，涂层与铝合金基板间形成了良好的界面结合，并且两种涂层均具有较好的低温焊接性. 其中，Ag-15%Ni单一涂层与铝合金基板的结合强度为40 MPa，喷涂后铝合金基板与T2紫铜形成的钎焊接头抗剪强度为26 MPa. 相较而言，Ni-5%Al /Ag-15%Ni复合涂层展现出更佳的涂层结合强度(42 MPa)和钎焊接头抗剪强度(31 MPa).
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  送丝速度对Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr钛合金激光填丝焊接头组织与性能的影响

  张可召, 蔡嘉梦, 刘栋, 陈锦伊, 包晔峰, 牛红志

  焊接学报. 2022, 43(12): 35-40. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211106001

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  采用Ti-6Al-4V(TC4)焊丝对2 mm厚的Ti-3Al-6Mo-2Fe-2Zr钛合金进行激光填丝焊接，利用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线能谱仪等分析测试方法研究了送丝速度对接头显微组织和力学性能的影响. 结果表明，由于从熔合线至母材受到焊接热作用逐渐递减，热影响区组织依次为单一β相、基体β相 + 初生α_p相、基体β相 + 初生α_p相 + 少量次生α_s相. 焊缝中有针状α'相生成，且分布不均匀. 随着送丝速度的增加，针状α'相的数量增加，尺寸增大. 激光填丝焊接头的抗拉强度及断后伸长率均低于母材，随送丝速度的增加，接头抗拉强度上升，断后伸长率下降.其原因在于TC4焊丝的加入，促使针状α'相在焊缝中析出，送丝速度加快，造成焊缝中钼当量[Mo]_eq降低，析出的针状α'相数量进一步增多，尺寸增大. 针状α'相的析出提高了焊缝强度，当送丝速度大于1.0 m/min时，接头的断裂位置为热影响区.
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  基于多阈值与神经网络的旋转电弧图像飞溅分析

  汤泉, 石志新, 毛志伟

  焊接学报. 2022, 43(12): 41-46. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211219001

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  为探究旋转电弧飞溅产生原因及规律，针对高速相机采集的旋转电弧平堆焊的焊接图像，提出了一种基于掩膜的多阈值与BP(back propagation)神经网络组合方法识别焊接飞溅．多阈值法获取飞溅位置及其轮廓，再通过建立5特征值的BP神经网络模型识别飞溅．结果表明，对于具有灰度分布范围大、背景复杂的旋转电弧飞溅图像，该组合方法的识别准确率可达95.76%．同时，通过飞溅与焊丝位置的相位分析，飞溅最大数量相位均值为241.4°，即焊丝末端进入熔池后约0.14周期位置，主要是由焊丝末端熔滴与熔池接触导致电流激增，电流抑制不充分造成，该研究结果为旋转电弧焊接飞溅控制提供了依据．
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  激光-MIG复合焊根部驼峰缺陷预测

  刘秀航, 叶广文, 黄宇辉, 张艳喜, 冯桑, 高向东

  焊接学报. 2022, 43(12): 47-52,99. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211216003

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  激光-熔化极惰性气体(melt inert gas，MIG)复合焊过程中容易出现根部驼峰缺陷，为了实现焊接过程根部驼峰缺陷的同步预测，研究根部驼峰缺陷预测的算法并对其预测结果进行分析. 采用高速摄像机进行复合焊接过程的实时视觉传感采集，提取焊接过程的正面熔池和匙孔的时序特征信息，并对这些特征信号进行小波包分解(wavelet packet decomposition，WPD)与重构. 应用激光扫描仪获得背部焊缝余高，以此作为驼峰状态标记的依据. 再通过长短期记忆(long short-term memory，LSTM)神经网络对焊接过程中根部驼峰状态进行预测. 结果表明，WPD-LSTM算法对根部驼峰预测的准确率达到97.85%. 相比其它算法，基于焊接过程正面视觉传感时序特征信息的WPD-LSTM算法预测准确率更高，且预测结果具有较高的连续性，有利于实现对焊接过程根部驼峰缺陷的同步检测与控制.
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  激光熔覆CoCrFeNiSi_x高熵合金涂层的组织与性能

  田志刚, 李新梅, 秦忠, 杨现臣, 刘伟斌, 张培军

  焊接学报. 2022, 43(12): 53-63. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220305001

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  为了探究Si元素含量对CoCrFeNiSi_x(x=0.5，1.0，1.5)高熵合金涂层的组织与性能的影响，采用激光熔覆技术制备高熵合金涂层，通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、能谱仪、显微硬度仪、摩擦磨损试验机、电化学工作站等表征了涂层的物相组成、微观组织以及元素分布、硬度值、耐磨性能和耐腐蚀性能. 研究表明，随着Si元素的含量增加，合金物相由单相面心立方结构转变为面心立方结构、Si元素化合物(σ)相结构，最后形成面心立方结构、体心立方结构和σ相混合结构.涂层的组织主要由柱状晶转变成树枝晶，最后形成胞状晶；同时，涂层的硬度不断提高，当Si含量为1.5时，涂层的平均硬度值达到最高，为619.04 HV0.2，约为基体的2.67倍.涂层的磨损量、摩擦系数随着Si含量的增加而减少，耐磨性能显著提高.涂层在3.5%NaCl溶液中腐蚀性能随着Si含量的增加先增加后降低，当Si含量为1.0时，涂层的耐腐蚀性能最优.
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  基于不同算法的金属管棒爆炸焊接模拟

  缪广红, 胡昱, 艾九英, 马秋月, 孙志皓, 马宏昊, 沈兆武

  焊接学报. 2022, 43(12): 64-71. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211219002

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  选取1060铝管/T2铜棒为爆炸复合棒制备材料，T2铜管/Q235钢管为爆炸复合管制备材料，利用ANSYS/LS-DYNA软件结合拉格朗日法、拉格朗日—欧拉耦合法(ALE法)及光滑粒子流体动力学—有限元耦合法(SPH-FEM耦合法)3种算法，对一次制备两组爆炸复合管棒的爆炸焊接试验进行数值模拟. 结果表明，拉格朗日法的前期建模最为简洁，ALE法其次；模拟过程中SPH-FEM耦合法耗时最多，ALE法耗时最短；3种算法所测得的碰撞速度与理论计算值存在0.9% ~ 5.3%的误差，其中SPH-EFM耦合法的误差最小，拉格朗日法的误差最大. 利用管材内部的能量累积原理解释了焊接过程中外部复合管出现的扩径情况，并结合T2铜管/Q235钢管复合界面的压力分布验证了所产生的现象.
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  退火温度对50 mm厚316L电子束焊接头微观组织与力学性能的影响

  马建国, 陶嘉, 刘志宏, 吴杰峰, 刘振飞, 邓浩祥, 汪志勇

  焊接学报. 2022, 43(12): 72-78. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211202004

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  中国聚变工程实验堆(China Fusion Engineering Test Reactor，CFETR)真空室窗口领圈的组焊采用电子束焊，由于板厚较大，焊后残余应力较大，且焊缝从顶部到底部存在组织不均匀性，需要采用焊后退火处理进一步优化组织性能. 为了探索合适的退火工艺，采用单温区管式炉对50 mm 316L不锈钢电子束焊试样在200 ~ 450 ℃的范围内进行了退火试验，并采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction，EBSD)手段分析了不同退火工艺下接头热影响区及焊缝的晶粒组织. 对不同退火工艺下接头的顶部、中部与底部区域进行了拉伸试验和显微硬度测试. 结果表明，随热处理温度的提高，焊缝及热影响区的位错密度出现下降，由此引起的第3类内应力得到释放；300 ℃热处理后接头不同区域的抗拉强度和断后伸长率都较为优异，且拉伸试样的断口中均未发现大量析出相颗粒; 接头各区域显微硬度在不同退火温度下的变化趋势与抗拉强度的变化趋势近似一致.
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  垂直取向石墨烯包覆泡沫镍复合中间层钎焊C/C复合材料与Nb的工艺及性能

  朱强, 周佳顶, 赵天眸, 叶茂成, 王泽宇, 雷玉成

  焊接学报. 2022, 43(12): 79-83. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211214001

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  针对碳/碳(C/C)复合材料与铌(Nb)钎焊接头高残余应力问题及高温服役需求，采用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapor deposition, PECVD)方法获得了垂直取向石墨烯(vertically aligned few-layer graphene, VFG)包覆泡沫镍复合中间层，并使用该复合中间层搭配TiNi钎料辅助钎焊C/C复合材料与Nb. 采用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线光电子能谱、拉曼光谱方法表征VFG及接头的微观组织结构及表面化学状态. 结果表明，钎缝中原位形成了弥散分布的(Ti,Nb)₂Ni颗粒及(Ti,Nb)C环状第二相，有效降低了钎缝整体的线膨胀系数，缓解了接头残余应力. 同时，均匀分布的Nb(s.s.)使得钎缝组织保持了良好的高温塑性，接头在1 000 ℃下的抗剪强度达到33 MPa，比无中间层直接钎焊接头的抗剪强度提高了450%.
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  镍中间层对铝/镁异种金属搅拌摩擦焊接头微观组织的影响

  董少康, 马宇航, 朱浩, 王晨霁, 曹志龙, 王军

  焊接学报. 2022, 43(12): 84-89. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211202002

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  采用搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)，引入厚度为0.05 mm镍箔作为中间层，在焊接速度不变条件下，采用不同转速对厚度为4 mm的6061铝合金和AZ31镁合金进行平板对接，对接头进行系列微观组织表征及力学性能测试，探讨转速对接头中镍颗粒分布状态，金属间化合物(intermetallic compounds, IMCs)种类与分布及接头强度的影响规律. 研究结果表明：与未引入中间层接头相比，引入镍改变了铝/镁异种金属FSW接头焊核区(weld nugget zone, WNZ)中IMCs种类及分布，WNZ存在明显的镁合金与铝合金相间的带状组织，其上分布着絮状Al₁₂Mg₁₇、颗粒状Mg₂Ni、层状Al₃Mg₂及大小不一的镍箔颗粒；随着转速增加，镍箔颗粒分布愈加均匀，Al₃Mg₂数量相对减少，且脆性Al₃Mg₂由连续分布逐渐演变为断续分布；当转速为750 r/min时，接头抗拉强度达到最大值，与未引入中间层接头相比，引入镍中间层接头抗拉强度提高了56 MPa，达到镁合金的56.9%.
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  双道次激光电弧复合焊热影响区微观组织与冲击韧性

  鲍亮亮, 刘福建, 徐艳红, 张新明, 欧阳凯, 韩涛

  焊接学报. 2022, 43(12): 90-99. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220303001

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  采用焊接热模拟技术制备了低合金高强钢双道次激光电弧复合焊热影响区的均匀化组织试样，研究了二次峰值温度对热模拟试样微观组织和韧性的影响. 结果表明，未转变粗晶区为粗大的板条马氏体，晶粒尺寸在84 ~ 98 μm之间. 超临界再热粗晶区为细小的板条马氏体，晶粒尺寸为15.7 ~ 19.2 μm. 临界再热粗晶区为晶界和亚晶界分布有块状M-A组元的板条马氏体. 亚临界再热粗晶区组织为板条马氏体，晶粒尺寸在79 ~ 88 μm之间. 示波冲击试验结果表明，临界再热粗晶区试样抵抗裂纹形成能力最低，临界再热粗晶区和未转变粗晶区试样抵抗裂纹扩展能力最差.
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  基于超声相控阵的耐候钢接头疲劳裂纹动态监测

  汪认, 赵鹏, 何建英, 陈志皓, 胡庆睿

  焊接学报. 2022, 43(12): 100-104. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211117001

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  借助超声相控阵技术对耐候钢对接接头开展疲劳失效过程动态监测. 基于超声波探头的信号特征，研究其扇形扫描反射过程，建立实时扫查方案， 并对10 mm厚的耐候钢对接接头实施实时监测.结果表明，当疲劳寿命为5 × 10⁴次时，相控阵检测到多个裂纹从对接接头焊趾部位萌生，并沿着板厚扩展，当疲劳寿命超过3.5 × 10⁵次时，裂纹开始快速扩展. 与疲劳试验断口对比发现，基于相控阵检测得到的裂纹尺寸与试验结果基本一致，验证了相控阵裂纹动态检测的准确性. 根据裂纹深度a、裂纹长度2c与循环次数N关系，明确了裂纹动态演化行为，并获得中厚板耐候钢对接接头表面裂纹的扩展演化规律.
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  X80M管线钢铜衬垫外根焊接头冷裂敏感性分析

  文学, 汪宏辉, 钱建康, 卢英民, 郑亮, 雷正龙

  焊接学报. 2022, 43(12): 105-112. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220408001

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  开展了不同装配条件下大厚度、大管径X80M管线钢铜衬垫外根焊接头的冷裂敏感性分析. 采用碳当量法和应力场模拟等方法，研究了不同装配条件对接头冷裂倾向的影响. 结果表明，接头顶部盖面层的热影响区和底部根焊层是X80M管线钢焊接接头的最薄弱区域，冷裂倾向最大. 对口间隙从0 ~ 0.5 mm增大至0.6 ~ 1 mm后，焊缝区根焊层的相对碳当量提高16.6%，增大了冷裂倾向. 错边量提高使得接头盖面层热影响区淬硬性增大，冷裂敏感性增大. 错边量和对口间隙增加均会导致焊后残余拉应力的进一步增大，错边量增大也会导致接头错边区域存在应力集中，错边量从0 mm增加为3 mm，其焊缝区根焊层凹角处残余应力峰值增加52.4%. 因此，X80M管线钢电弧焊接过程需尽量减小对口间隙和错边量以降低冷裂倾向.
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  2022-12 期英文摘要

  焊接学报. 2022, 43(12): 113-120.

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