2022年, 第43卷, 第6期　
刊出日期：2022-06-25

  

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搅拌摩擦焊接及其衍生技术
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  搅拌摩擦增材制造关键技术与装备发展

  温琦, 刘景麟, 孟祥晨, 黄永宪, 万龙

  焊接学报. 2022, 43(6): 1-10. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210616004

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  搅拌摩擦增材制造 (friction stir additive manufacturing, FSAM) 是一种全新的固相增材技术，解决了材料熔化而产生气孔、裂纹等问题，大幅度提高增材制造零件的力学性能，提升制造组件的结构利用率，被认为是金属增材制造领域的重大突破. 介绍了增材制造技术发展历史及特点，总结了固相增材技术优势，阐述了FSAM技术的基本概念、成形原理、发展趋势、组织微观结构演变行为以及力学性能；归纳了当前FSAM所采用的设备类型及其控制系统，重点分析了该技术未来发展应用所面临的挑战及机遇.
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  加工道次对FSP制备高熵合金增强铝基复合材料组织和性能的影响

  李鹏, 廉润康, 马超群, 董红刚

  焊接学报. 2022, 43(6): 11-19. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211230001

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  采用搅拌摩擦加工制备了以AlCoCrFeNi_2.1高熵合金为增强相的6061铝合金复合材料(AlCoCrFeNi_2.1/6061Al)，重点研究了加工道次对复合材料组织均匀性、界面结合以及力学性能的影响. 结果表明，随搅拌摩擦加工道次的增加，AlCoCrFeNi_2.1/6061Al复合材料组织均匀性及力学性能均得到明显改善. 复合材料中基体与增强相界面结合良好，界面处扩散层厚度随加工道次增加而增大. 相较于不添加增强相的6道次搅拌摩擦加工铝合金，AlCoCrFeNi_2.1增强相颗粒的引入可进一步细化晶粒并提高抗拉强度，且随着加工道次增加，复合材料抗拉强度及断后伸长率均显著升高. 2，4道次下的断口存在明显的颗粒聚集区，而6道次下断口表面颗粒分布均匀且呈现大量韧窝，为典型的韧性断裂. 该现象主要归因于载荷传递效应、弥散强化和细晶强化3大强化机制.
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  2A14-T4铝合金厚板搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能

  刘会杰, 高一嵩, 张全胜, 赵慧慧

  焊接学报. 2022, 43(6): 20-24,42. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210615001

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  随着工业技术的进步，航空航天、交通运输等领域对构件的承载能力提出了越来越高的需求，采用搅拌摩擦焊的方法对9 mm厚2A14-T4铝合金进行连接，并对高强铝合金厚板接头沿厚度方向不同区域的微观组织和力学性能进行研究 .结果表明，在转速400 r/min、焊接速度100 mm/min条件下能够获得表面成形良好的焊缝，接头抗拉强度为360 MPa，达到母材强度的83.9%. 接头微观组织沿厚度方向存在显著差异，焊缝上部、中部、下部晶粒尺寸逐渐减小，其平均直径分别为7.9，5.0和2.8 μm. 焊缝底部断口出现小而浅的等轴状韧窝.接头断裂位置和最低显微硬度均出现在接头后退侧的热力影响区；同时接头显微硬度呈现“W”形分布，且沿厚度方向分布存在差别，焊缝上部、中部、下部显微硬度最低值分别为99.9，97.9和94.7 HV.
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  2195-T6铝锂合金搅拌摩擦焊接头微观组织结构与力学性能

  戴翔, 石磊, 武传松, 蒋元宁, 高嵩, 傅莉

  焊接学报. 2022, 43(6): 25-34. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210524002

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  采用搅拌摩擦焊对2 mm厚的2195-T6铝锂合金进行焊接，利用OM，SEM，EBSD等分析技术探讨焊接速度对接头组织结构与力学性能的影响. 结果表明，搅拌头转速为800 r/min、焊接速度在120 ~ 210 mm/min范围内，焊核区晶粒均较为细小，平均晶粒尺寸约为1 μm. 随着焊接速度的提高，大角度晶界含量增大，焊核区的{110}<110>织构和{011}<100>戈斯织构消失. 接头硬度的最低值均出现在后退侧热影响区，且在焊接速度为180 mm/min时，接头的抗拉强度与断后伸长率达到最大值，最大抗拉强度为467 MPa，约为母材的86.3%，此时断后伸长率为5.0%，断裂模式为韧性断裂，但断口呈现一定的脆性断裂特征.
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  6061-T6/7075-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能

  高士康, 周利, 张欣盟, 张军峰, 李高辉, 赵洪运

  焊接学报. 2022, 43(6): 35-42. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210616003

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  利用搅拌摩擦焊实现了2 mm厚7075-T6/6061-T6异种铝合金连接，并对材料放置位置和转速对接头成形与组织性能的影响进行了分析. 结果表明，7075-T6铝合金置于前进侧时更有利于焊接过程中材料的迁移行为，焊缝成形及接头性能更优.当焊接速度为150 mm/min、转速为1 000 r/min时，可获得内部无明显缺陷、外观良好的异种铝合金接头；相较于母材，热力影响区的小角度晶界含量增加，焊核区发生动态再结晶，小角度晶界转化为大角度晶界；接头拉伸性能随转速的增加，呈现先增加后减小的趋势.接头的平均抗拉强度和断后伸长率分别达到231 MPa和4.0%. 接头的断裂位置位于6061侧焊核区，与接头硬度最小位置相吻合.
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  2219铝合金FSW和TIG焊接头力学与腐蚀行为

  王非凡, 谢聿铭, 吴会强, 马飞, 黄永宪

  焊接学报. 2022, 43(6): 43-49. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220103001

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  评价了2219-CS铝合金FSW和TIG焊接头的力学性能，并采用晶间腐蚀、剥落腐蚀及电化学腐蚀方法对2219-CS铝合金FSW和TIG焊接头进行了整体及分区域腐蚀行为表征，借助光学显微镜和扫描电子显微镜分析了表面腐蚀形貌. 结果表明，搅拌摩擦焊接头焊核区的细晶结构和弥散再分布的沉淀相大幅度提高了其耐腐蚀性能，热影响区中沉淀相回溶及粗化较TIG焊接头热影响区较弱，耐腐蚀性能有一定提高，搅拌摩擦焊接头的高电化学均质性宏观表现为其整体腐蚀速率的显著降低.
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  高强铝合金可变转速回填式搅拌摩擦点焊温度场及接头组织性能调控

  赵运强, 赵宇佳, 刘喆, 林志成, 董春林, 邓军

  焊接学报. 2022, 43(6): 50-55. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220102001

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  针对7B04-T74铝合金，采用可变转速回填式搅拌摩擦点焊(variable rotation speed-refill friction stir spot welding, V-RFSSW)新方法开展了数值仿真及试验研究. 结果表明，V-RFSSW温度场围绕搅拌头轴线呈圆形对称分布，焊点高温区域集中在搅拌套空腔内部. 与扎入阶段转速相同的常规回填式搅拌摩擦点焊(refill friction stir spot welding, RFSSW)相比，V-RFSSW新方法既可在扎入阶段使材料充分塑化，以保证焊点成形，同时，通过降低回填阶段搅拌头转速降低焊接峰值温度及高温停留时间，抑制组分液化的发生，避免了共晶相的生成. V-RFSSW与常规RFSSW接头显微硬度均呈“W”形分布，且扎入阶段转速相同的情况下V-RFSSW接头搅拌区平均硬度更高. 在拉剪载荷下两种接头均以“纽扣”形式发生断裂，其中V-RFSSW接头拉剪失效载荷为8835 N，高于RFSSW接头的8162 N.
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  5A06铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T形接头组织与性能

  秦丰, 张春波, 周军, 乌彦全, 梁武, 巫瑞智

  焊接学报. 2022, 43(6): 56-60,95. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220201001

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  采用静止轴肩搅拌摩擦焊方法实现了10 mm厚5A06铝合金T形接头的焊接. 通过低主轴转速匹配高焊接速度与高主轴转速匹配低焊接速度两组不同的焊接参数，结合拉伸试验、宏观与微观金相分析、电子背散射衍射(electron backscattered diffraction，EBSD)分析与扫描电镜(scanning electron microscope，SEM)断口分析，研究了热输入对焊接接头力学性能与组织的影响. 结果表明，在两组焊接参数下均可获得无孔洞缺陷的全焊透T形接头，焊缝表面光滑平整，几乎无减薄发生；热输入不同会改变搅拌针与周围材料的摩擦形式，引起焊缝出现弱结合缺陷，并影响接头抗拉强度； 在高主轴转速匹配低焊接速度时，焊缝中心重叠区顶部易产生弱结合缺陷，导致接头抗拉强度较低，为198 MPa，拉伸试样断裂在筋板. 在低主轴转速匹配高焊接速度时，焊缝无缺陷存在，接头抗拉强度为287 MPa, 拉伸试样断裂在底板.
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  AZ31镁合金双面对称搅拌摩擦焊接头疲劳性能

  闫志峰, 王卓然, 王树邦, 张红霞, 贺秀丽, 董鹏

  焊接学报. 2022, 43(6): 61-68. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211119001

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  针对搅拌摩擦单面焊两侧热输入不均匀性导致疲劳强度低的问题，采用双面对称搅拌摩擦焊方法对10 mm厚的AZ31镁合金板材进行焊接，并研究其疲劳性能. 结果表明，双面对称搅拌摩擦焊接头的屈服强度为130 MPa，与单面焊的屈服强度123 MPa相比提高了5%；其疲劳极限为88 MPa，比单面焊接头的50 MPa提高了76%；双面对称接头疲劳裂纹萌生在上/下侧的前进侧位置，并跨越上/下侧焊缝交界面，最终在下/上侧焊缝的后退侧RS区域瞬断，其疲劳断口均为以解理特征为主的脆性断裂. 双面对称焊接头其中一面应变范围与单面搅拌摩擦焊的应变较高的后退侧接近. 通过双面搅拌摩擦焊接的镁合金接头疲劳强度得到了大幅度提升，疲劳寿命得到了延长.
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  摩擦增材辅助Ti/Al搅拌摩擦搭接接头特征分析

  吕宗亮, 刘景麟, 韩振宇, 朱栋, 万龙, 黄永宪

  焊接学报. 2022, 43(6): 69-74. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211229003

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  为解决Ti/Al异种材料搅拌摩擦焊接接头强度低、搅拌针磨损等问题，提出一种摩擦增材辅助搅拌摩擦搭接焊(friction addition-friction stir lap welding, FA-FSLW)技术. 该新工艺延续了固相连接的优势，具有热输入量低、界面金属间化合物薄等特点.文中研究了以6082铝合金作预沉积层辅助实现3 mm厚2A12铝合金板与4 mm厚TC4钛合金板之间的连接，焊接过程中搅拌头扎入铝沉积层而不接触钛表面，得到抗拉载荷最大为12.2 kN的接头.结果表明, FA-FSLW复合焊接头的界面迁移越大，接头承载越小.同时，发现界面处的Ti, Al元素发生了明显互扩散，Si元素在界面偏聚，与Ti, Al元素发生冶金反应后形成层状纳米级Ti-Al-Si金属间化合物，为提高接头强度奠定基础.
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  SiCp/2009Al复合材料搅拌摩擦焊T形接头组织与力学性能

  张振, 薛鹏, 王东, 王全兆, 倪丁瑞, 肖伯律, 马宗义

  焊接学报. 2022, 43(6): 75-81. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220104002

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  在工具转速800 ~ 1200 r/min、焊接速度100 ~ 150 mm/min的工艺参数下，对6 mm厚的硬态(自然时效态)体积分数为15% SiCp/2009Al复合材料轧制板材进行T形搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)，均获得了致密无缺陷的接头. 结果表明，FSW过程中，剧烈塑性变形使焊核区部分SiC颗粒发生一定程度的破碎，破碎程度随转速的增加而增加，随焊接速度的增加而减弱；焊核区中的微米级强化相发生破碎、溶解，并沿焊核区细晶界面析出. T形接头横板两侧各存在2个低硬度区，靠近焊核区的低硬度区的硬度比远离焊核区的低硬度区的硬度低；固定焊接速度为100 mm/min时，转速从800 r/min增加到1200 r/min时，接头的抗拉强度不变；固定转速为800 r/min时，将焊接速度从100 mm/min增加到150 mm/min时，接头的抗拉强度轻微降低. 接头拉伸过程中在横板与竖板交界处受应力最大，所有接头均在此区域断裂.
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  冷喷涂对2219铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能的影响

  祁志伟, 杨夏炜, 邹阳帆, 汤化伟, 李文亚

  焊接学报. 2022, 43(6): 82-87. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211231002

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  为了改善铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能，在4 mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊接头上表面进行冷喷涂试验，研究分析了冷喷涂前后接头残余应力与力学性能的变化. 结果表明，焊态接头纵向残余应力呈不对称“M”形分布，残余应力峰值位于前进侧靠轴肩附近；冷喷涂后，接头残余应力大幅度降低，残余应力峰值由186 MPa降低至43 MPa.涂层沉积厚度约200 μm，涂层与基体界面产生了较大的塑性变形，基体界面附近组织晶粒得以细化.由于冷喷涂过程的喷丸效应，接头上表面显微硬度平均提高了25 HV，作用深度约1 mm.接头拉伸性能也获得明显改善，抗拉强度提升6.3%，断后伸长率提升78.6%，焊态与冷喷涂态的拉伸试样均在接头前进侧的热影响区附近发生断裂，符合在低硬度区或弱结合面产生裂纹并扩展的弱区断裂的特征.
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  6061-T6铝合金中空薄壁型材双轴肩搅拌摩擦焊工具设计与工艺分析

  张颖川, 马国栋, 代鹏, 王敬水, 金炜

  焊接学报. 2022, 43(6): 88-95. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210512001

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  基于双轴肩搅拌摩擦焊热输入的理论分析，建立了焊接工具结构尺寸特征值与待焊工件厚度之间的工程模型.利用该工程模型，设计并优化得到适用于厚度为2.5 mm的6061-T6铝合金薄板的双轴肩搅拌摩擦焊工具.使用该工具对中空薄壁型材进行焊接，并对焊接工艺参数进行优化. 结果表明，当焊接工具转速为1 000 r/min、焊接速度为600 mm/min时，可以得到综合力学性能最佳的焊接接头，其中正面焊缝焊接接头抗拉强度可达231 MPa，为母材抗拉强度的77%，弯曲角度达180°；反面焊缝焊接接头抗拉强度可达226 MPa，为母材抗拉强度的76%，弯曲角度达180°.
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  基于声发射多特征融合的搅拌摩擦焊缺陷监测

  孙屹博, 龙海威, 邹丽, 杨鑫华

  焊接学报. 2022, 43(6): 96-101. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211126004

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  搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)是一个多物理场耦合过程，焊接过程中声发射信号与焊接缺陷具有关联性. 基于声发射检测与多特征融合研究FSW缺陷监测方法，实时检测固态介质中的声发射信号，利用短时傅里叶变换、小波变换、梅尔频谱对声发射信号进行分析，确定焊接缺陷与声发射信号之间的相关性，最后通过concat融合方法构建多特征向量. 结果表明，FSW在预制缺陷处具有不同的声发射信号特征. 短时傅里叶、小波变换的主要频段集中在20 kHz，出现缺陷时功率分别达到−40，0.8 dB以上，梅尔频谱的主要频段集中在3.5 kHz出现缺陷时功率达到−40 dB以上. 应用多层神经网络分别建立基于单特征、多特征向量的焊接缺陷识别模型，多特征向量的焊接缺陷识别模型在数据集中的平均识别率达到97%，比基于单一特征缺陷识别模型提高18%. 研究的多特征缺陷识别模型能更准确地对焊接状态进行识别与监测.
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  6082-T6铝合金无减薄搅拌摩擦焊接头组织与性能

  李充, 田亚林, 齐振国, 王崴, 杨彦龙, 王依敬

  焊接学报. 2022, 43(6): 102-107. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220104001

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  为解决传统搅拌摩擦焊接过程中的焊缝减薄问题，以轨道交通领域常用的6082-T6铝合金作为研究对象，从轴肩下压量为零的角度出发，通过轴肩端面圆形内凹槽及搅拌针周向螺纹复合三铣平面的设计，获得了无减薄且成形良好的焊接接头. 结果表明，当焊接速度一定时，转速的增加可提高焊接热输入，抑制焊缝缺陷的产生. 相较于转速400, 600 r/min下的接头可焊区间得到了有效拓宽，焊接速度最高可达400 mm/min；焊接过程的热循环受焊接速度与转速的耦合作用. 焊接热循环过大，焊缝易出现粗大组织，影响焊接接头的强度. 在转速600 r/min、焊接速度500 mm/min的参数下，接头抗拉强度达254 MPa，为母材强度的80%.
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  阶梯形正反螺纹搅拌针对2A12-T4铝合金 FSLW接头力学性能的影响

  赵华夏, 李若青, 李浩然

  焊接学报. 2022, 43(6): 108-112. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220102002

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  搅拌针上螺纹分布情况会对搅拌摩擦焊接头内部材料流动行为产生重要影响，进而影响接头成形及力学性能. 采用锥形螺纹搅拌针和阶梯形正反螺纹搅拌针进行2A12-T4铝合金搅拌摩擦搭接焊试验，对比分析了两种搅拌针下搅拌摩擦搭接焊接头横截面形貌、显微组织、拉剪性能及接头断裂位置. 结果表明，两种搅拌针下接头横截面形貌均呈现“碗状”. 然而，在阶梯形正反螺纹搅拌针焊接下搭接界面后退侧出现特有的“括号”形貌. 相对于锥形螺纹搅拌针，阶梯形正反螺纹搅拌针下的接头热力影响区与热影响区晶粒分布相差不大，但焊核区晶粒细化程度更加明显；接头在焊接速度80 mm/min下可获得最大拉剪性能，其值为10.39 kN. 阶梯形正反螺纹搅拌针下接头界面后退侧出现的“括号”形貌阻碍了裂纹向焊核区进一步扩展，断裂模式表现为拉伸断裂.
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  2022-6期英文摘要

  焊接学报. 2022, 43(6): 113-120.

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