2022年, 第43卷, 第9期　
刊出日期：2022-09-25

  

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先进材料增材制造工艺与性能评价
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  激光增材制造AlSi10Mg合金的力学性能研究进展

  奥妮, 何子昂, 吴圣川, 彭鑫, 吴正凯, 张振先, 祝弘滨

  焊接学报. 2022, 43(9): 1-19. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220413002

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  增材制造是近几十年发展起来的一种先进金属件近净成形技术，具有低能耗、短周期、高柔性、低成本等显著优势，已成为先进装备领域的前沿制造技术之一. 与传统铸造相比，增材铝合金具有相当甚至更优的力学性能. 然而，相关质量评估标准缺乏和疲劳性能分散性较大等问题限制了其在重大工程装备中的应用. 重点以选区激光熔化成形的AlSi10Mg合金为对象，从“制造工艺—仿真模拟—性能评价”角度，系统分析了增材制造工艺参数、建造方向和热处理制度等几个重要因素对铝合金微观结构及力学性能的影响，总结了增材热力学过程模拟与力学性能的相关仿真研究现状，重点探讨了目前增材制造铝合金力学性能评价的国内外进展，并进一步归纳了基于组分调控提升铝合金力学性能的相关研究结果，最后对其发展趋势进行了展望.
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  基于曲面分层的大型螺旋桨GMA增材制造

  李鑫磊, 韩庆璘, 张广军

  焊接学报. 2022, 43(9): 20-24. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211123004

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  为了实现曲面复杂零件的高精度高效率增材制造，开发了高适应性的曲面分层算法.采用从空间角加权法向方向平移三角网格控制点的策略，生成与初始分层曲面等距的曲面簇，与模型求交运算，从而获得了每层曲面切片轮廓.在此基础上，使用基于体素化和曲面积分思想的曲面等距路径规划算法，获得了分层曲面上的等距轮廓偏置路径，保证了零件曲面轮廓的成形精度并进行了试验验证. 试验采用六轴机器人与旋倾变位机作为运动机构，使用熔化极气体保护电弧(gas metal arc，GMA)增材制造方法，在一个外径为0.2 m的圆柱金属管上，实际堆敷了直径1 m的扭转棱形螺旋桨.经过扫描检测和模型比对，得到桨叶的成形尺寸标准偏差为1.1 mm，最大偏差在3.0 mm以下.结果表明，对于特定曲面零件如螺旋桨的增材制造，曲面分层算法可以提高成形的效率和表面质量.
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  旁路耦合三丝间接电弧增材制造成形特性

  张天奕, 张兆栋, 王泽力, 徐国敏, 刘黎明

  焊接学报. 2022, 43(9): 25-30. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220311002

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  采用旁路耦合三丝间接电弧焊( bypass coupling triple-wire gas indirect arc welding，BCTW-GIA焊)进行Q345低碳钢增材制造. 利用高速成像设备研究了旁路电流变化对电弧特性的影响，并观察了对应的焊缝成形特性. 结果表明，随着旁路电流的增加，间接电弧占比逐渐减少，而直接电弧占比逐渐增加，焊接热输入逐步提升，焊缝的接触角逐渐减小. 当旁路电流为155 A时，可在表面成形良好的前提下得到铺展性最优的单道焊缝. 采用此参数进行单道多层增材得到了直壁墙体，沉积速率高达13.3 kg/h. 该增材制造方法具有较高的熔敷效率和较低的热输入，有利于改善增材试样的显微组织，并提高试样的平均硬度. 试样底部、中部及顶部区域的平均硬度分别为 186.80，172.44，176.04 HV.
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  送丝方式对步进填丝双脉冲TIG电弧增材成形精度的影响

  李璐鹏, 张刚, 朱珍文, 任自友, 石玗, 樊丁

  焊接学报. 2022, 43(9): 31-37. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211207004

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  针对电弧增材制造热质传输强耦合、成形尺寸精度低等共性关键问题，提出一种步进填丝双脉冲钨极氩弧(tungsten inert gas，TIG)电弧增材制造方法. 基于此方法建立增材成形试验系统，开展系列变化参数的直壁墙增材工艺试验. 利用同步采集的熔滴、熔池动态变化图像数据重点研究分析了送丝方式对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池行为和成形尺寸精度的影响规律. 结果表明，前、后送丝方式下熔滴均以液桥过渡方式熔入到熔池；相比前送丝增材过程，后送丝方式下焊丝熔化效率和熔滴过渡频率明显增加，熔滴尺寸变小，熔池表面高度和宽度尺寸波动均减小；高频脉冲电弧使熔池体积略微增加，热稳定性明显增强，直壁墙沉积件成形精度明显提高.
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  层间高速摩擦复合WAAM铝合金构件组织与力学性能

  陈超, 孙国瑞, 冯天亭, 范成磊, 张慧婧

  焊接学报. 2022, 43(9): 38-43. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220121001

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  为提高丝材电弧增材制造(wire arc additive manufacturing，WAAM)构件性能，提出了一种电弧增材制造复合层间高速摩擦(wire arc additive manufacturing hybrid interlayer high speed friction，WAAM-HSF)的方法. 采用直径1.2 mm的4047铝硅焊丝，使用WAAM-HSF方法进行薄壁构件制造，对比研究了WAAM和WAAM-HSF对铝合金薄壁构件的微观结构和力学特性的影响. 结果表明，WAAM和WAAM-HSF构件的微观结构中存在着大量的柱状树枝晶. 与WAAM相比，WAAM-HSF构件的微观结构明显细化. 同时，不同工艺的晶粒分布趋势一致，即晶粒直径在两个薄壁中从顶部到底部逐渐减小. 在相同区域，WAAM构件的晶粒尺寸大于WAAM-HSF构件. 通过破坏外延结晶的生长，达到细化晶粒的目的. 与WAAM相比，WAAM-HSF构件的平均断后伸长率减小了5%；但WAAM-HSF构件的平均显微硬度和平均抗拉强度则分别提高了9.96 HV和17 MPa.
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  增材制造RAFM钢激光焊接头显微组织分析

  刘鑫泉, 方超, 刘劲, 宋奎晶, 季雨凯, 韦勇, 罗俊睿

  焊接学报. 2022, 43(9): 44-49. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211213003

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  局部工件采用增材制造技术成型再焊接完成装配是未来精密加工较为可行的方案之一. 采用激光焊对4种不同粒径粉末增材制造得到的低活化铁素体/马氏体钢板（reduced activation ferritic/martensitic steel，RAFM钢）进行焊接，分析激光焊接头显微组织演变特征.结果表明，粉末粒径小于25 μm的增材RAFM钢的道间未熔合缺陷在焊缝区得到修复，而热影响区与母材未熔合缺陷无法改善；粉末粒径为15 ~ 53，45 ~ 105 μm以及大于100 μm的增材RAFM钢的气孔缺陷在焊接过程中无法消除，焊缝区与母材皆有分布，后者的气孔数量和大小明显大于前两者；4种接头焊缝区微观组织皆为粗大的板条状马氏体，柱状晶生长至中心线相交，无等轴晶出现. 由增材制造工艺特点导致热影响区与母材区出现偏析带.近焊缝淬火区峰值温度较高，为细小的马氏体组织；远焊缝回火区产生二次回火的珠光体组织，且伴随部分晶粒长大.
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  增材制造记忆合金的元素烧损行为及其补损分析

  朱建, 王宏宇, 史东辉, 黄金雷, 毛计洲

  焊接学报. 2022, 43(9): 50-55. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220105001

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  在剖析增材制造过程中记忆合金元素烧损行为的基础上，以自制粉芯丝材为原料，采用电弧熔融沉积工艺制备了不同Mn，Si含量的系列FeMnSiCrNi合金，求解了Mn和Si两种易烧损元素的烧损率，拟合了烧损率与设计含量之间关系的数学模型，并通过合金的熔融沉积试验对该模型进行了验证. 结果表明，增材制造记忆合金元素烧损的主要形式为低沸点元素的选择性蒸发，其绝对烧损率与合金中所有易烧损元素设计成分近似呈现线性关系；验证试验结果显示，通过该模型设计所获得的记忆合金成分误差不超过4%，表明该理论模型具有较高的精度，可用于指导增材制造记忆合金成分的准确控制.
研究论文
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  激光电弧热源复合模式对301L不锈钢焊接接头性能的弱化机制

  杨涛, 汪远, 庄园, 杨瑞欣, 曾俊谚, 李桓玉

  焊接学报. 2022, 43(9): 56-61. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211202006

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  激光电弧复合焊在传统的激光填丝焊基础上加入了电弧形成复合热源，导致电弧区产生热量积累，造成焊缝晶粒粗大，并弱化了焊接接头的强度和断后伸长率，促使焊接结构的服役安全性能大幅降低. 通过建立三维熔池温度模型及力学性能分析阐明了激光与电弧协同热作用对焊接接头强度和断后伸长率的影响规律. 结合焊缝的晶粒尺寸、晶界取向差分布、织构强度从微观晶体学角度揭示了焊接接头强度和断后伸长率的弱化机制. 结果表明，电弧介入促使复合热源产生热积累，降低熔池温度梯度，强化了晶粒的择优取向生长及织构强度，导致接头各向异性，从而使焊接接头的断后伸长率降低2%. 较低的温度梯度会延长熔池冷却时间，促使晶粒长大和大角度晶界减少，不利于阻碍位错滑移，导致焊接接头平均屈服强度降低35 MPa，极限抗拉强度降低66 MPa. 并且随着焊接电流的升高，熔池高温停留时间延长，接头晶粒及织构强度增大，接头强度和断后伸长率继续降低.
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  电弧熔炼Ti6Al4V/B₄C复合材料微观组织与力学性能

  郭顺, 王朋坤, 顾介仁, 彭勇, 徐俊强, 周琦

  焊接学报. 2022, 43(9): 62-68. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220403002

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  采用真空电弧熔炼技术制备了不同含量B₄C的Ti6Al4V/B₄C钛基复合材料，并采用光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度计、静态压缩及拉伸测试等对其微观组织及力学性能进行了表征分析. 结果表明，电弧熔炼过程B₄C与钛基体原位反应生成TiB，TiC及TiB₂相，TiB呈现一维生长晶须状，TiC呈现颗粒状，在B₄C质量分数为10%时生成块状TiB₂，并可能会形成特殊的中空棱柱状结构Ti(B_xC_y)聚合物. 原位反应生成的TiB₂可显著提高钛基复合材料的显微硬度. 当B₄C质量分数为0.5%时，钛基复合材料原位反应生成的连续网状、均匀分布的TiB和TiC试样具有最优力学性能，试样最大抗压强度值达到1 990 MPa，最大压缩应变为35.5%，压缩性能超过熔炼钛合金，抗拉强度达到1 034 MPa，与熔炼钛合金材料相比提高近24%，但塑性有所降低，并随着B₄C含量增加，抗拉强度逐渐下降，其断裂方式由韧性断裂转变为脆性断裂.
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  热处理对TC21钛合金线性摩擦焊接头组织与性能的影响

  金俊龙, 李菊, 张传臣, 常川川

  焊接学报. 2022, 43(9): 69-74. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211009001

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  基于先进飞机构件研制需求，针对TC21钛合金线性摩擦焊接头，设计了3种热处理制度，开展了焊态及不同热处理状态下接头显微组织及力学性能研究. 结果表明，焊态试样的焊缝区由细化的β晶粒组成，晶内析出含有大量位错的针状马氏体，起到了位错强化作用，显微硬度相比母材明显提高，热力影响区由于次生α相发生了溶解，显微硬度相比母材有所降低. 热处理后焊接接头内的α相发生了显著变化，在高温区退火时，长时间保温导致初生条状α相长大，在低温区退火则促进了次生针状α相的析出；所有热处理后的接头进行拉伸试验后均断裂于母材区，经过双重退火的接头其焊缝区及热力影响区组织均为β转变组织+初生长条状α相 + 次生针状α相，并且各区域显微硬度基本与母材一致，组织更加均匀.
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  1300?MPa级低合金高强钢SH-CCT曲线及冷裂敏感性分析

  安同邦, 郑庆, 张永林, 梁亮, 朱彦洁, 彭云

  焊接学报. 2022, 43(9): 75-81. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220402002

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  采用Formastor-FⅡ全自动相变仪测定了1300 MPa级低合金高强钢的奥氏体化相变温度，结合光学显微镜与维氏硬度计等设备研究了800 ~ 500 ℃冷却时间(t_8/5)对1300 MPa级低合金高强钢粗晶热影响区组织和硬度变化的影响规律. 结果表明，当t_8/5为3 ~ 60 s时，1300 MPa级低合金高强钢粗晶热影响区组织均由板条马氏体组成，硬度值为438 ~ 454 HV5；随着冷却时间延长，粗晶区出现贝氏体类组织，当t_8/5为150 s时，粗晶区为板条马氏体/贝氏体混合组织，硬度平均值为413 HV5；当t_8/5为300 ~ 600 s时，粗晶区为板条贝氏体和粒状贝氏体混合组织，硬度值为341 ~ 381 HV5；当t_8/5＞600 s时，粗晶区组织主要为粒状贝氏体，硬度值为269 ~ 322 HV5. 冷裂敏感性评价结果表明，该试验钢碳当量C_E(IIW)和C_EN均大于0.5%，具有一定的冷裂倾向，需焊前预热，焊后热处理或保温缓冷等措施，避免焊接冷裂纹的形成.
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  核用ODS钢电阻点焊性能

  魏世同, 刘琛, 贾昕, 陆善平, 李依依

  焊接学报. 2022, 43(9): 82-85,97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210928001

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  为评价氧化物弥散强化合金(oxide dispersion-strengthened alloy, ODS)钢的电阻点焊性能，使用金相显微镜及扫描电镜观察了9CrYWT-ODS钢焊点不同区域的组织，测试了焊点的拉伸剪切性能，确定了合适的焊接电流范围. 结果表明，焊点不同区域内氧化相尺寸存在明显差异，热影响区回火区温度较低，氧化相细小，热影响区相变区温度较高，氧化相有所长大，熔核区温度很高，氧化相明显粗化. 随着焊接电流增大，熔核尺寸增大导致焊点最大拉伸剪切力升高的同时，失效方式由界面失效逐渐转变为部分界面−部分焊点拔出失效及完全焊点拔出失效，继续增大焊接电流到飞溅产生时，熔核尺寸减小引起最大拉伸剪切力降低，失效方式再次转变为部分界面−部分焊点拔出失效和界面失效. 根据拉伸剪切试验结果确定合适的焊接电流范围为6.6 ~ 7.0 kA.
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  填充泡沫Ti/AlSiMg的SiC陶瓷钎焊接头的组织与性能

  李娟, 李立新, 秦庆东, 凃泉, 何鹏

  焊接学报. 2022, 43(9): 86-91. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211213001

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  为丰富SiC陶瓷钎焊所用钎料的设计思路，提出了一种泡沫Ti/AlSiMg新型复合钎料，通过Ti元素的溶入提高钎料与SiC陶瓷之间的界面结合力，利用泡沫Ti与Al基钎料之间的界面反应获得原位增强的钎缝，从而提升接头力学性能. 采用钎焊温度700 ℃、保温时间60 min和焊接压力10 MPa进行SiC陶瓷真空钎焊，利用光学显微镜、扫描电镜、能谱分析、X射线衍射、电子探针和万能试验机对接头组织、成分和性能进行分析，探索泡沫Ti/AlSiMg复合钎料在SiC陶瓷钎焊中的可用性. 结果表明，填充泡沫Ti/AlSiMg复合钎料所得接头结构为SiC/Al/Ti(Al,Si)₃/Ti(Al,Si)₃原位增强Ti基钎缝/ Ti(Al,Si)₃/Al/SiC，断裂发生在铝合金界面层和SiC陶瓷之间，Ti元素的溶入提高了铝合金界面层与SiC陶瓷之间的界面结合力，接头抗剪强度达111 MPa.
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  CuCrZr/Inconel 625电子束焊接接头组织与性能

  王徐建, 王廷, 何平, 范成磊, 郭迪舟, 董海义

  焊接学报. 2022, 43(9): 92-97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211215002

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  对CuCrZr/Inconel 625管件进行不填丝电子束对接焊试验，观察分析各组试样的接头形貌、微观组织、化学成分以及力学性能分析. 结果表明，当偏束距离为0.6和0.8 mm时，CuCrZr/Inconel 625接头焊缝成形良好，均呈现出上、下宽，中间窄的哑铃型；随着偏束距离的增大，焊缝中的Cu含量增加；CuCrZr/Inconel625管件接头焊缝中的相主要是圆球形的Ni基固溶体以及作为基体的Cu固溶体，使得焊缝具有较好的综合力学性能. 当偏束距离0.8 mm时，试样最大抗拉强度达到304 MPa，断裂于CuCrZr侧热影响区.
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  基于管道插接的相贯线焊缝提取算法及数值模拟

  李湘文, 黄宏亮, 洪波, 李然, 马秀萍, 王英俊

  焊接学报. 2022, 43(9): 98-103. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210316002

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  针对工件上多个不同直径管道的筒体内壁焊缝位置信息难于提取的技术问题，设计了一种能识别支管空间位置和尺寸信息的焊缝位置识别传感器，通过该装置采集到的数据，结合已知工件空间位置和尺寸信息，建立管道插接焊缝的位置模型，并推导出基于此模型的焊缝特征矩阵和焊枪姿态矩阵. 将采集的数据结合上述数学模型，在MATLAB软件中进行仿真对比. 结果表明，其精度误差最大为0.25 mm，满足实际焊接精度要求，验证了该传感器与数学模型的准确性. 该传感器及其焊缝特征识别方法具有通用性，对管道插接焊接任务的自动化、智能化具有重要意义.
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  喷雾辅助FSW焊接RAFM钢数值模拟与性能

  周进鹏, 马杰, 陆晓峰, 朱晓磊, 王健

  焊接学报. 2022, 43(9): 104-112. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20210922001

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  低活化铁素体/马氏体(reduced activation ferritic/martensitic，RAFM)钢搅拌摩擦焊(friction stir welding，FSW)接头中的高温δ铁素体是影响其冲击韧性的主要因素. 通过喷雾冷却，降低焊接峰值温度并对接头进行快速降温，从而达到抑制δ铁素体生成的目的. 采用Fluent流体软件对RAFM钢FSW在不同喷雾冷却工况下的温度场进行模拟研究，综合模拟结果进行试验验证. 结果表明，液氮辅助FSW(FSW + LN₂)可有效降低焊接接头的峰值温度并加速焊后的降温速率. FSW + LN₂焊接接头冲击韧性由常规FSW接头的冲击吸收能量23 J提升至33 J，达到与母材等韧匹配，硬度变化趋势与常规FSW接头基本一致，焊接接头硬度远高于母材.
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  2022-09期英文摘要

  焊接学报. 2022, 43(9): 113-120.

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