2023年, 第44卷, 第2期　
刊出日期：2023-02-25

  

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研究论文
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  SLM成形17-4PH不锈钢微观组织与动态断裂性能

  陈彦兴, 刘秀国, 赵洋洋, 龚宝明, 王颖, 利成宁

  焊接学报. 2023, 44(2): 1-9. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220306001

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  通过激光选区熔化(selective laser melting, SLM)技术制备了17-4PH不锈钢，采用电子背散射衍射(electron backscattered diffraction, EBSD)和透射电子显微镜(transmission electron microscope, TEM)等方法对沉积态和固溶态试样微观组织结构进行了分析. 通过示波冲击试验确定了裂纹萌生扩展的特征阶段和动态裂纹扩展阻力曲线(J−R曲线)，研究了微观组织与动态断裂性能之间的关系. 结果表明，沉积态试样主要由<100>择优且沿增材方向拉长的δ铁素体柱状晶、取向随机的细小马氏体，以及少量奥氏体组成，不同截面具有显著的组织各向异性；大尺寸δ铁素体柱状晶与细小晶粒的结合面作为薄弱环节，使其脆性增加，J−R曲线的撕裂模量较低，以准解理方式断裂. 固溶热处理明显弱化组织各向异性，微观组织由尺寸细小、均匀的马氏体组成，其冲击吸收能量提升1倍，动态断裂韧性优良，属于韧性断裂. 大尺寸δ铁素体柱状晶与周围细小马氏体晶粒界面结合较弱是沉积态17-4PH不锈钢动态断裂性能较差的主要原因.
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  基于局部应变法的焊接微区低周疲劳性能

  徐甄真, 张建勋

  焊接学报. 2023, 44(2): 10-15,31. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220309001

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  针对忽略焊接力学不均匀性的名义应变法评价焊接接头低周疲劳性能不准确的问题，提出一种考虑焊接接头力学不均匀性、基于弹塑性有限元计算的局部应变法，对焊接接头的低周疲劳性能进行准确评价. 通过耐热钢电弧焊接头光滑试样和焊缝光滑试样的低周疲劳试验，以及焊接接头光滑试样在加载过程中的弹塑性有限元计算，采用名义应变法和局部应变法分别对耐热钢电弧焊接头光滑试样进行低周疲劳性能评价. 结果表明，耐热钢电弧焊接头在低周疲劳载荷下断裂于焊缝区域. 采用名义应变法评价该焊接接头时，结果偏保守. 由于局部应变法考虑了焊接接头的力学不均匀性，基于断裂微区的局部应变进行疲劳性能评价，发现采用局部应变法得到的焊接接头应变—寿命曲线与断裂微区焊缝的应变—寿命曲线一致.
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  CuSn预合金粉芯复合银钎料的润湿铺展机理

  钟素娟, 秦建, 王蒙, 崔大田, 龙伟民

  焊接学报. 2023, 44(2): 16-21. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220908001

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  研究了添加质量分数为30% ~ 70% CuSn预合金粉复合银钎料在T2紫铜基体上的润湿铺展过程，并讨论了CuSn预合金粉复合银钎料在紫铜基体上的润湿铺展机理.结果表明,在与紫铜基体的润湿铺展过程中，初始接触角由30%CuSn 的119°降低到70%CuSn 的94°.最终接触角由30%CuSn 的15°下降到70%CuSn 的7°. 当粉芯中CuSn合金粉含量为60%时，钎料在铜板上的润湿面积达到530.04 mm²，相比于未添加CuSn合金粉时提高了约66%.由于低熔点CuSn预合金粉的前驱润湿作用使复合银钎料表面张力降低，初始接触角和最终接触角随着CuSn预合金粉含量的增加而减小. CuSn预合金粉在钎焊过程中先于BAg30CuZnSn钎料外皮熔化，形成熔融的铜锡液态合金薄层，降低了固液界面张力.随后，熔化的BAg30CuZnSn箔带在先期熔化的铜锡液态薄层上铺展，并与其发生溶质原子的扩散反应，最终形成液态复合钎料. 低熔点CuSn预合金粉的加入，使复合银钎料在铜上的润湿性能显著改善. 添加40%CuSn预合金粉复合银钎料与铜基体的反应润湿界面均匀致密，其中白色富Ag相互连接，Sn元素主要分布于富Ag相和周围的锡青铜相中.
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  00Cr12Ni双相组织不锈钢焊接接头区域特征与性能

  张心保, 吴开明, 柯睿, 胡丞杨, Amir A. Shirzadil, Serhii Yershov, 黄日清

  焊接学报. 2023, 44(2): 22-31. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220328002

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  采用熔化极活性气体保护焊(metal active gas arc welding, MAG焊)、等离子弧焊(plasma arc welding， PAW) 和高频感应焊接方法获得铁素体 + 马氏体双相组织不锈钢00Cr12Ni的焊接接头，对其组织区域特征和力学性能进行了研究. 典型的焊接接头热影响区(heat affected zone，HAZ)可分为晶粒粗大，铁素体为优势相的高温热影响区(high temperature heat affected zone，HTHAZ)和晶粒细小，马氏体为优势相的低温热影响区(low temperature heat affected zone，LTHAZ). 通过测量实际焊接热循环曲线的方法确定了HTHAZ及LTHAZ的温度范围，并采用热模拟研究HAZ不同区域的力学性能. 结果表明，HTHAZ的热循环峰值范围为1200 ℃至熔点，晶粒粗大呈现为脆性；LTHAZ热循环峰值范围为800 ~ 1 200 ℃，室温组织为非平衡低碳板条马氏体，韧性较好，但低于0 ℃时呈脆性. MAG焊接头由于奥氏体焊缝为钟罩形，HAZ冲击试验时断面包括奥氏体焊缝，因此冲击性能较好；PAW接头在1 000 ℃奥氏体快冷可获得细晶粒马氏体韧性提高；高频感应焊接接头中无HTHAZ，但焊接过程中的加工硬化导致室温呈脆性，通过去应力退火后韧性恢复.
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  随焊高速气流场辅助高强铝合金薄板焊接应力演变及控制变形机理

  周广涛, 胡庆睿, 刘彪, 宋威, 郭玉龙, 余作恒

  焊接学报. 2023, 44(2): 32-39. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220909001

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  从力学角度出发提出了“随焊高速气流场”柔性控制高强铝合金薄板焊接失稳变形的新方法，研究了该方法控制2A12高强铝合金薄板焊接变形的有效可行性，分析了随焊高速气流载荷对薄板应力演变规律的影响，阐明了其控制焊接残余应力及变形机理. 基于有限元法分析了温度场及应力场，确定了气动载荷与热源作用距离这一关键因素，并获得了气体压力的合理有效范围. 在自行研制的随焊高速气流场装置上进行试验验证. 结果表明，当气动载荷作用距离为20 mm、气动载荷为30 MPa时，焊接失稳变形基本消失，焊缝中截面上的纵向残余拉应力峰值较常规焊下降了77.73%，残余压应力峰值下降了69.23%，板边变形最大挠度仅为0.9 mm，较常规焊的8.5 mm下降了89.41 %. 试验结果与模拟结果吻合良好，验证了随焊控制模型的正确性.
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  铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾腐蚀行为

  迟露鑫, 顾凌翔, 许惠斌, 黄岩, 覃全, 冉洋

  焊接学报. 2023, 44(2): 40-47. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220909003

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  为了获得铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾介质的腐蚀过程及机理，对5%NaCl腐蚀后的焊接接头进行拉剪试验，并采用带能谱的扫描电子显微镜进行断口微观形貌分析. 结果表明，铝钢电磁脉冲焊接接头中性盐雾腐蚀3天后的抗剪强度由原态74 MPa降为33 MPa，为原态的44.6%，腐蚀周期7天时，焊缝完全失效；在焊缝外围，粒子流击碎铝板表面氧化物生成粒状腐蚀物NaAlO₂，焊缝上FeAl₃破碎，露出铝被快速腐蚀为Al(OH)₃；在铝板表面撞击产生凹坑和嵌入钢板表面片状铝的位置最先被腐蚀，NaCl液体堆积并在表层金属下流动腐蚀，且沿着腐蚀坑互连方向扩展，再向焊缝存在FeAl₃相的连接区延伸；当氧化膜或焊缝被NaCl介质腐蚀抬起且破碎后，向着铝基体深层腐蚀，形成多而深的沟壑或凹坑，这成为接头快速失效的主要腐蚀机理.
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  平行于异种钢接头“岛状区”边缘的晶界形成机理

  郑韶先, 贾鲲, 汪军平, 赵锡龙, 史伟

  焊接学报. 2023, 44(2): 48-53. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20211126003

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  对平行于异种钢接头碳钢熔合线附近 “ 岛状区”边缘的晶界进行了研究. 结果表明，平行于“ 岛状区”边缘的晶界可能是迁移晶界，也可能是凝固晶界.“ 岛状区”具有3种结构，第1种结构是由中心碳钢母材及其外围的成分过渡区组成，并且成分过渡区内的元素含量介于碳钢母材和焊缝金属之间；第2种结构仅由成分过渡区组成，并且其内部的元素含量也介于碳钢母材和焊缝金属之间；第3种结构也仅由成分过渡区组成，但其内部任意位置处的Ni质量分数均大于5% ~ 6%. 只有第1种和第2种结构的“ 岛状区” 才有可能形成平行于其边缘的迁移晶界，而第3种结构的“ 岛状区”则不能形成平行于其边缘的迁移晶界. 平行于“ 岛状区”边缘的凝固晶界则是由“ 岛状区”表面垂直方向上生长的短小胞状晶与其相邻的亚晶粒束相交而形成的.
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  铝/钛异种金属激光/激光-CMT复合熔钎焊工艺及其组织与力学性能

  王佳杰, 宋晓国, 武鹏博, 胡佩佩, 滕彬, 黄瑞生, 于久灏

  焊接学报. 2023, 44(2): 54-60. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220617003

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  选用5A06铝合金和Ti6Al4V钛合金为母材，ER4047焊丝和粉状Nocolok钎剂为填充材料，采用激光熔钎焊和激光-CMT复合熔钎焊两种焊接方法，并对两种焊接接头的微观组织和力学性能进行对比分析. 结果表明，激光熔钎焊与激光-CMT复合熔钎焊在合适的焊接工艺下均容易获得连续、稳定的焊接接头. 铝/钛激光熔钎焊和激光-CMT复合熔钎焊焊缝中部组织均为α-Al固溶体和Al-Si共晶组织.激光熔钎焊和激光-CMT复合熔钎焊均在钛合金上表面处界面反应层最厚，其厚度分别小于10和6 μm.激光熔钎焊焊缝偏钛侧界面主要为锯齿状，激光-CMT复合熔钎焊焊缝偏钛侧界面主要为层片状. 激光熔钎焊和激光-CMT复合熔钎焊焊接接头均断裂在焊缝区，焊接接头平均抗拉强度分别为252 和209 MPa，激光熔钎焊比激光-CMT复合熔钎焊接头抗拉强度高20%，而激光-CMT复合熔钎焊比激光熔钎焊焊接效率提升约1.5倍.
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  等离子弧−MIG焊丝振荡式复合焊接工艺

  张鸿昌, 李一楠, 于江, 张靖祎, 张洪涛, 高建国

  焊接学报. 2023, 44(2): 61-66,82. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220327002

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  针对现有的等离子弧-MIG复合焊接过程中的双弧排斥问题，基于MIG焊丝位移规律性改变提出了一种新型的MIG焊丝振荡与等离子弧共熔池的复合焊接工艺. 通过调节MIG焊丝电机转速(振荡频率)和振荡振幅进行了焊接工艺试验. 结果表明，随着电机转速(振荡频率0 ~ 41 Hz)的增加，等离子弧与MIG电弧排斥减弱，耦合趋势增大. 尤其是电机转速为2 000 r/min(振荡频率33 Hz)时，共熔池复合焊接效果较好；MIG焊炬振荡振幅为1 mm时，电弧形状最为稳定，但振荡频率和振荡振幅过大均不利于焊接过程稳定性；MIG焊炬振荡提高了熔滴过渡频率，使焊丝尖部呈现小熔滴过渡，减小了焊接飞溅. 对接试验力学性能测试表明，抗拉强度、抗弯强度均随振荡频率的提高呈现先增大后减小趋势，分析认为MIG焊炬振荡具有一定搅拌熔池的作用，有效提高了焊接接头的力学性能.
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  基于PCA与RSM-DE算法的激光熔覆参数多目标优化

  李家豪, 舒林森, 衡钊, 吴晗

  焊接学报. 2023, 44(2): 67-73. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220310001

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  为获得激光熔覆Inconel 718粉末在Q690高强钢板上的最优熔覆工艺参数，设计响应曲面法中的BBD(Box-Benhnken Design)试验设计模型. 构建输入变量(激光功率、扫描速度、送粉速率)与响应值(稀释率、热影响区深度、显微硬度)之间的数学模型，通过主成分分析法建立熔覆层综合评价指标，利用差分进化算法进行寻优，确定最优工艺参数. 采用最优工艺参数进行试验验证，对其最优工艺参数下试件的宏观形貌与组织形态进行观察与分析，并与优选出的试件进行响应值比较. 结果表明，最优工艺参数为激光功率1 800 W、扫描速度28 mm/s、送粉速率1.9 r/min，该参数下获得的热影响区深度为294 μm，稀释率为14.2%，显微硬度为276.6 HV0.5. 最优工艺参数下的试件热影响区深度减小了6.8%，稀释率降低了24.7%，显微硬度增大了21.7%，且最优试件中的组织形态为较小的树枝晶与少量的胞状晶.
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  热循环载荷下POP堆叠焊点应力分析与优化

  高超, 黄春跃, 梁颖, 刘首甫, 张怀权

  焊接学报. 2023, 44(2): 74-82. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220330001

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  建立叠层封装(packaging on packaging，POP)堆叠焊点有限元模型，基于ANAND本构方程，分析了热循环载荷下焊点应力分布状态及热疲劳寿命；基于灵敏度法分析了POP封装结构参数对焊点热应力的影响显著性；基于响应面法建立POP堆叠焊点热应力与结构参数的回归方程，并结合粒子群算法对结构参数进行了优化. 结果表明，焊点与铜焊盘接触处应力最大，该处会率先产生裂纹，上层焊点高度和下层焊点高度对POP堆叠焊点热应力影响较为显著；最优结构参数水平组合为上层焊点高度0.35 mm、下层焊点高度0.28 mm、中层印刷电路板厚度0.26 mm，优化后上、下两层焊点的最大热应力分别下降了0.816和1.271 MPa，延长了POP堆叠焊点热疲劳寿命.
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  基于焊接热模拟的高锰TWIP钢热影响区组织与性能

  邓浩祥, 刘志宏, 王幸福, 马建国, 吴杰峰, 韩福生

  焊接学报. 2023, 44(2): 83-89. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220325001

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  针对锻态高锰孪生诱导塑性钢利用Gleeble3500型热模拟试验机，通过设置不同峰值温度(850，950，1 050，1 150，1 250 ℃)对焊接接头热影响区的各个区间进行了焊接热模拟，采用电子背散射衍射系统、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等手段分析了锻态母材经过焊接热作用后组织和性能的变化. 结果表明，热作用前后孪生诱导塑性钢组织均为等轴晶粒的全奥氏体组织，晶粒尺寸随峰值温度的上升先减小后增加，但都低于母材；热影响区的拉伸性能均优于母材，主要原因是发生了细晶强化；冲击韧性随峰值温度的变化与晶粒尺寸变化趋势一致，说明晶粒尺寸对采用的孪生诱导塑性钢冲击韧性有关，晶粒尺寸越细，冲击韧性越差. 冲击断口的韧窝底部发现有AlN颗粒.
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  车用薄镀锌板CMT搭接工艺特性

  韩永全, 刘乐乐, 孙振邦, 石磊, 杜茂华

  焊接学报. 2023, 44(2): 90-95. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220325003

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  针对车用薄镀锌板材料，为了进一步降低冷金属过渡(cold metal transfer，CMT)时产生的飞溅，研究分析了薄镀锌板CMT搭接焊接工艺特性. 采用Baumer HX 13工业级高速摄像机拍摄了CMT焊接熔滴过渡图像，利用NI PXI数据采集系统采集了CMT焊接电流电压信号. 主要研究了短路前期阶段与短路后期阶段电流电压对CMT熔滴过渡的影响规律，同时分析了焊枪倾角对薄镀锌板CMT搭接焊接熔滴过渡行为的影响. 结果表明，当CMT短路阶段电流小于基值阶段电流时，电信号波形未出现扰动现象，焊接过程稳定；当降低短路后期电流约5 A时，能够有效降低CMT搭接产生的飞溅；当焊枪与垂直平面呈30°夹角时，能够获得平稳的熔滴过渡，焊接飞溅最小，焊缝熔深最大，焊缝成形最佳. 故短路阶段电流小于基值阶段电流且降低短路后期电流约5 A时，采用焊枪倾角30o的焊接工艺能够实现较小的焊接飞溅，为生产实践提供理论依据.
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  焊接方法对Fe-Cr-Ni-Mo系熔敷金属组织和性能的影响

  刘景武, 魏世同, 孙健, 陆善平

  焊接学报. 2023, 44(2): 96-101. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220308001

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  分别采用钨极氩弧焊(TIG焊)和熔化极活性气体保护焊(MAG焊)方法制备了785 MPa级Fe-Cr-Ni-Mo系熔敷金属.利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜和电子背散射衍射仪对熔敷金属的组织类型和晶体学特征进行了详细的表征分析，结果表明，采用不同焊接方法制备得到的熔敷金属组织均为贝氏体，但钨极氩弧焊熔敷金属(DM-TIG)中出现大量聚合贝氏体；由于焊接过程中使用的保护气体不同，熔化极活性气体保护焊熔敷金属(DM-MAG)中存在大量夹杂物. 经过电子背散射衍射分析结果表明，相比于DM-TIG，DM-MAG中由于存在大量自催化形核现象，晶体学取向非常复杂.力学性能测试结果表明，DM-MAG中大尺寸夹杂物在冲击过程中作为裂纹源，从而导致DM-MAG的韧性明显低于DM-TIG，实际工程应用中对于低温韧性要求较高的结构部件应合理选择焊接方法.
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  基于快速蜜蜂试验法的304不锈钢激光焊工艺优化

  王超, 陈信宇, 吴春彪, 李雷, 王洁

  焊接学报. 2023, 44(2): 102-110. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220325012

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  基于工程师打样中确定合理工艺参数组合的工程背景，借鉴三元蜜蜂算法开发了用于工艺参数寻优的快速蜜蜂试验法. 针对304不锈钢板激光焊中获得较高抗拉强度需求，比较了响应面法、基于响应面法拟合方程的蜜蜂算法优化求解和快速蜜蜂试验法3种方法下所获优化结果. 结果表明，前两种方法所预测最优工艺参数获得抗拉强度均近似于688 MPa，而快速蜜蜂试验法求解的最优工艺参数获得抗拉强度734 MPa. 快速蜜蜂试验法划分清晰及针对性强的优化特点，使其相比响应面法减少试验次数的同时避免了忽略不同区域中概率密度不同的问题. 所开发的快速蜜蜂试验法能够作为一种学习成本低与重视结果突出试验点的试验方法，帮助工程师在打样过程中快速获得更优工艺参数组合.
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  基于改进热源模型的铝合金MIG焊数值分析

  孙振邦, 刘乐乐, 童嘉晖, 韩永全, 陈芙蓉

  焊接学报. 2023, 44(2): 111-116,128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220325007

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  采用CMOS高速摄像机检测和分析铝合金熔化极气体保护焊(MIG焊)熔滴过渡行为，确定MIG焊熔滴的过渡频率和速度. 在理论分析MIG焊热源特性、热作用模式以及焊缝形貌前提下，从宏观焊接热过程出发，提出并开发了适用于MIG焊的组合体积热源分布模式，MIG焊电弧被处理描述为经典的双椭球体热源模型，熔滴能量作用模式被表示成均匀球体热源模型. 同时，在均匀球体热源模型中加入了熔滴热能和动能，实现了熔滴对MIG焊熔池冲击作用的影响. 基于上述热源模型，建立了铝合金MIG焊温度场有限元模型，对厚板铝合金MIG焊温度场进行了模拟. 结果表明，模拟获取的焊缝熔合线走势及形貌和实际焊接结果相吻合，证明开发的热源模型能够准确描述MIG焊指状熔深特性和热传导过程.
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  Ni含量对304/Sn-8Sb-4Cu-xNi/304钎焊接头组织与剪切性能的影响

  韩晓辉, 张志毅, 邓建峰, 刘勇, 王博, 徐野

  焊接学报. 2023, 44(2): 117-122. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220325008

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  研究了Ni含量对Sn-8Sb-4Cu-xNi(x = 0, 0.5, 1和2，质量分数)钎料熔点和微观组织的影响，用Sn-8Sb-4Cu-xNi钎料对304不锈钢进行钎焊连接，分析了接头的界面组织与剪切性能. 结果表明，添加不同含量的Ni后，Sn-8Sb-4Cu-xNi均为近共晶钎料，其熔点约为245 ℃；Sn-8Sb-4Cu钎料组织由α相基体、Sb₂Sn₃ + Cu₆Sn₅ + Sn复合相和Cu₆(Sn,Sb)₅ 相组成. 添加Ni元素后，钎料中块状Cu₆(Sn,Sb)₅转变为细小、均匀分布的 (Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅. 当Ni含量小于1%时，随Ni含量的增加，钎料中的复合相和(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅相均增加；当Ni含量为2%时，钎料中的复合相和(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅相均减少，但(Cu,Ni)₆(Sn,Sb)₅相中Ni含量增加至与Cu相当；Sn-8Sb-4Cu-xNi/304钎焊界面均形成了一层厚度约1.5 μm的扩散反应层，EDS分析显示，该层为FeSn₂化合物. 钎缝中全部为Cu₆Sn₅型化合物，未见Sn-Sb 型化合物. Ni元素的添加，提高了304/Sn-8Sb-4Cu-xNi/304钎焊接头的抗剪强度，当Ni含量为0.5%时，接头抗剪强度最大，为67 MPa，与不含Ni钎料相比提高了60%. 所有接头的断裂位置均位于钎缝.
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  CuCrZr/316LN合金管激光焊接头组织与性能

  王徐建, 檀财旺, 郭迪舟, 范成磊, 董海义, 宋洪

  焊接学报. 2023, 44(2): 123-128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220304001

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  对CuCrZr与316LN异种材料合金管进行激光焊试验，观察分析试样的接头形貌、微观组织、化学成分以及力学性能分析. 结果表明，在激光功率1 100 ~ 1 400 W、离焦量 + 20 mm、焊接速度14.5 mm/s和氩气流量15 L/min时焊缝成形良好，可实现CuCrZr/316LN合金管的全位置焊接，焊缝内部缺陷较少，但随着激光功率的增加，焊缝下塌现象明显；CuCrZr/316LN焊缝与母材连接界面元素过渡明显，由于Fe，Cu互溶，在焊缝内部主要以形状不同的富Fe的Fe/Cu固溶体存在；CuCrZr/316LN合金管激光焊接接头抗拉强度较高，主要断裂位置为晶粒粗大的铜侧热影响区位置，断裂形式以韧性断裂为主.
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  2023-2 期英文摘要

  焊接学报. 2023, 44(2): 129-136.

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