2023年, 第44卷, 第7期　
刊出日期：2023-07-25

  

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研究论文
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  基于位错模型的增材制造构件疲劳裂纹萌生行为

  赵洋洋, 林可欣, 王颖, 龚宝明

  焊接学报. 2023, 44(7): 1-8. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220825001

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  选区激光熔化的制造过程不可避免地会在构件内部和表面产生缺陷，如何从“合于使用”的角度评价缺陷微观尺度扩展行为对结构寿命周期服役完整性的影响是目前亟需解决的主要问题之一. 为了定量揭示疲劳裂纹萌生行为，借助Tanaka-Mura位错模型描述选区激光熔化成形GH3536合金的疲劳裂纹萌生及短裂纹扩展情况，分析由于缺陷位置、缺陷尺寸和缺陷类型等导致疲劳裂纹的表面和内部萌生的竞争情况. 结果表明，随着缺陷距表面距离的减小或等效缺陷尺寸的增加，疲劳失效模式由表面变为内部失效；选区激光熔化成形GH3536存在对应条件下的损伤容限，当缺陷尺寸较小时，构件的裂纹萌生模式不发生变化，但随着缺陷数量增多，疲劳短裂纹的扩展路径发生多次偏转且萌生寿命明显降低.
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  钎焊温度对316L/AuSi/NiTi接头界面组织与力学性能的影响

  陈修凯, 曹云飞, 卞红, 宋晓国, 姜楠, 李明

  焊接学报. 2023, 44(7): 9-15. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220831001

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  采用AuSi共晶钎料成功实现了316L不锈钢和NiTi形状记忆合金的连接. 使用扫描电子显微镜和能谱仪等分析测试手段对不同钎焊温度下获得的接头界面组织进行了分析. 结果表明，316L/AuSi/NiTi接头典型界面微观组织为316L/(Fe,Cr)₅Si₃/Au(s,s) + Ti₁₄Ni₄₉Si₃₇( + Si)/Ni₄Si₇Ti₄ + NiSiTi/NiTi. 随着钎焊温度的升高，316L不锈钢侧(Fe,Cr)₅Si₃层逐渐形成并变厚，NiTi合金侧的NiSiTi层先增厚后减薄，钎缝中的硅含量逐渐减少. 剪切试验表明，当钎焊温度为600 ℃、保温时间为30 min时，钎焊接头的抗剪强度最高为34 MPa. 接头的断裂路径分析表明，接头沿钎缝中的固溶体发生断裂.
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  激光熔覆TC4/Inconel 625/316L不锈钢梯度材料组织与性能

  张敏, 王新宝, 王浩军, 马克, 朱子越, 张志强

  焊接学报. 2023, 44(7): 16-23. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220628001

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  为了提高不锈钢工件的综合性能，采用激光熔覆工艺在不锈钢上制备TC4熔覆层、Inconel 625熔覆层作为过渡层，通过光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射仪、能谱仪、硬度计、摩擦磨损和电化学测试等研究了TC4熔覆层微观组织、显微硬度、电化学性能和摩擦磨损性能. 结果表明，熔覆层成形质量良好且具有均匀致密的微观组织. 熔覆过程中，由于元素扩散与高温作用发生的共晶反应，熔覆层中生成CrNi₂和Ti₂Ni增强相，大大提升了熔覆层的硬度与耐磨性；TC4熔覆层磨损机制主要为磨粒磨损与氧化磨损，耐磨性优于基体；TC4熔覆层的腐蚀电流密度小于基体，耐蚀性显著高于基体.
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  不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为

  刘雪, 钟史放, 徐连勇, 赵雷, 韩永典

  焊接学报. 2023, 44(7): 24-31,78. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220830001

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  通过腐蚀疲劳试验研究了在H₂S环境中不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳行为及机理，对试样的微观组织、断口和裂纹扩展路径进行了观察. 结果表明，X65管线钢焊接接头焊缝的微观组织主要由先共析铁素体、粒状贝氏体和M/A组元构成，M/A组元增大了焊缝的脆性. 粗晶热影响区主要由板条贝氏体和粒状贝氏体组成，焊缝和粗晶热影响区的硬度较高，韧性较差. 在不同应力幅下X65管线钢焊接接头的腐蚀疲劳机理均为阳极溶解 + 氢脆混合机制，但低应力幅下腐蚀作用带来的损伤更加显著. 随着应力幅的增大，试样的腐蚀疲劳寿命显著降低，裂纹扩展的速率也越快. 此外，二次裂纹主要沿着贝氏体板条束的晶界扩展，裂纹尖端在针状铁素体和先共析铁素体处产生了钝化现象，这两类组织有着良好的抗氢脆能力.
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  焊后热处理对NiCrMo-3熔敷金属腐蚀行为的影响

  程虹蓓, 曹睿, 杨飞, 徐晓龙, 贾兴旺, 蒋勇

  焊接学报. 2023, 44(7): 32-39. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220905001

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  以NiCrMo-3合金熔敷金属为研究对象，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等研究了原始焊态与690 ℃保温8 h热处理态熔敷金属的耐腐蚀性能差异.结果表明，与焊态试样相比，热处理试样具有良好的耐晶间腐蚀性能，在HNO₃溶液中浸泡不同的时间发生了点蚀和晶间腐蚀；热处理态金属除了点蚀与晶间腐蚀还发生了部分枝晶间腐蚀行为.热处理后的试样由于NbC，Laves相数量及尺寸的增加导致腐蚀敏感性升高.析出相NbC，Laves相与基体的电位差导致在腐蚀介质作用下发生点蚀.晶界析出物导致Ni，Cr元素含量的降低，从而增加了熔敷金属晶间腐蚀敏感性.热处理后由于元素再分配导致枝晶间Nb，Mo等元素的富集和Ni，Cr等元素的贫化，引起枝晶间腐蚀.
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  焊接振幅对铜/铝超声波焊接的影响

  李欢, 张长鑫, 周亢, 曹彪, 黄朝望

  焊接学报. 2023, 44(7): 40-47. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220815001

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  焊接振幅是超声波焊接的主要参数，但目前关于焊接振幅对超声波焊接影响机制的认识较少. 研究了焊接振幅对铜/铝超声波焊接过程，包括工件的振幅分配、界面温度、中间相分布、材料塑性变形以及接头性能的影响. 结果表明，在焊接压力1 575 N、焊接时间0.5 s时，随着焊接振幅增大，上工件振幅呈现近似线性增长；下工件振幅在焊接过程中均呈现逐渐近似线性增加的趋势. 在整个焊接过程中，焊接振幅越大，下工件的振幅越高. 在焊接振幅为25 μm时，获得了最大拉剪力为3150 N的铜/铝接头. 高的焊接振幅提升了焊头与上工件以及工件之间的相对运动速度，加速了焊接界面的温度升高及材料的塑性变形，增强了界面原子的扩散，最终促进了较高质量的铜/铝超声波焊接接头的形成.
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  钛合金/铜-镍/不锈钢焊接接头的组织与性能

  常敬欢, 余刚, 曹睿, 闫英杰, 隋然, 席筱蓓

  焊接学报. 2023, 44(7): 48-55. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220820002

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  采用铜-镍复合填充金属进行了钛合金和不锈钢的冷金属过渡焊接，借助扫描电子显微镜、X射线衍射仪研究铜-镍复合填充金属对钛合金/不锈钢焊接接头微观组织和力学性能的影响. 结果表明，添加铜-镍复合填充金属后得到了无焊接缺陷的钛合金/不锈钢焊接接头. 接头中形成了硬度相对Ti-Fe，Ti-Cu金属间化合物较低的Ti-Ni金属间化合物，改善了钛合金/不锈钢焊接接头的拉伸性能. 当焊接电流为182 A时，钛合金/不锈钢接头的拉剪强度最大为348 MPa. 钛合金/不锈钢接头由不锈钢-焊缝金属界面、不锈钢-纯镍-钛合金界面、钛合金-焊缝金属界面和焊缝金属组成，接头中形成了Ti-Cu，Ti-Ni，Al-Cu-Ti和Al-Ni-Ti-Fe-Cu金属间化合物.随着焊接电流的增大，钛合金侧界面反应层的显微硬度逐渐增大，且反应层的宽度也逐渐变宽.
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  BC-MIG丝材电弧增材制造NAB/钢复合结构的微观组织与力学性能

  苗玉刚, 刘吉, 李小旭, 赵羽杨, 王子然, 张本顺

  焊接学报. 2023, 44(7): 56-62. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220824002

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  使用旁路分流熔化极惰性气体保护焊(bypass current metal inert gas welding，BC-MIG焊)在水冷条件下增材制造镍铝青铜(nickel aluminum bronze，NAB)和25号钢复合结构，以评估异种金属增材制造的可行性. 通过光学显微镜、扫描电子显微镜、万能试验机和硬度测试仪研究了热处理前后复合结构的微观组织和力学性能的影响. 通过X射线衍射仪研究了界面附近残余应力，结果表明，在BC-MIG焊的低热输入和水冷的高冷却速率下，结构件表面成形良好且自由变形较小，接头未发现缺陷和裂纹. 热处理促进了Cu, Fe元素的相互扩散，扩散层由4 μm提高到了17 μm，但界面没有形成Fe-Al金属间化合物层. 在水冷条件下，钢的残余应力分布在−350 ~ −250 MPa之间，而NAB的残余应力差异较大，在−550 ~ 90 MPa之间. 拉伸试验结果表明，热处理后，由于残余应力降低，结构的抗拉强度略微降低，但断后伸长率明显提高.
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  功率循环载荷下BGA焊点应力与应变分析

  高超, 黄春跃, 梁颖, 刘首甫, 张怀权

  焊接学报. 2023, 44(7): 63-70. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220811004

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  建立了球栅阵列封装(ball grid array, BGA)焊点有限元分析模型，基于ANAND本构方程，分析了BGA焊点在功率循环载荷下应力与应变的分布情况，并搭建试验平台，完成了功率循环载荷下BGA封装器件应力与应变的测量试验，验证了仿真分析的可行性. 选取焊点高度、焊点直径、焊盘直径和FR4基板厚度完成了正交试验分析，通过非线性回归分析得到高拟合度的BGA焊点功率循环应力量化评价模型. 结果表明， BGA焊点结构参数对焊点应力影响大小排序为焊盘直径、FR4基板厚度、焊点直径和焊点高度，焊盘直径对BGA焊点应力影响显著，焊点直径、焊点高度和FR4基板厚度对BGA焊点应力影响不显著；最优参数水平组合为焊点高度0.39 mm、焊点直径0.42 mm、焊盘直径0.34 mm和FR4基板厚度0.8 mm，最优水平组合下BGA焊点应力与应变明显降低.
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  基于高熵合金中间层的Q235钢/6061铝合金电阻点焊接头的组织与性能

  蒋淑英, 蔡畅, 赵明, 黄万群

  焊接学报. 2023, 44(7): 71-78. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220826002

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  钢和铝形成的复合结构，可以使铝的低密度、高导热性、良好的耐腐蚀性能与钢的高强度、高韧性、低成本性结合起来，既能充分发挥两种材料的性能优势，又具有良好的经济效益. 由于钢和铝的物理和化学性能差异较大、接头中易产生脆性金属间化合物而难以实现可靠的连接. 将Fe_0.2CoCrMnNiAl_0.2高熵合金作为中间层进行了Q235钢/6061铝合金异种金属的电阻点焊研究，利用高熵合金的超级固溶性改善钢/铝异种金属的焊接质量. 结果表明，采用Fe_0.2CoCrMnNiAl_0.2高熵合金作为中间层时，接头截面中钢侧和铝侧均有半椭圆形状的熔核，熔核成形美观，无明显的宏观裂纹和气孔等焊接缺陷，熔核内部组织均由面心立方的固溶体相组成，接头的平均最大拉剪力达到1 913 N，比钢/铝直接电阻点焊接头提高了130%，断裂发生在铝合金侧熔核处，铝合金熔核在拉剪力的作用下被撕脱并留在高熵合金表面，呈现出“纽扣状”破坏特征.
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  基于抛物线模型的V形坡口焊道规划排布

  陈昌荣, 周孙盛, 何华, 练国富, 黄旭, 冯美艳

  焊接学报. 2023, 44(7): 79-88. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220820003

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  为了提高大型相贯构件机器人焊接的焊道规划准确性，提出了抛物线模型，结合等面积与等高法研究了多层多道焊道排布方法. 首先，规划焊接工艺参数、焊道的横截面、焊接顺序以及焊枪位姿，进一步推导出焊道排布算法的公式，借助MATLAB软件进行多层多道焊道排布的仿真；最后通过机器人焊接试验验证多层多道排布的方法. 结果表明，仿真的焊道排布结果与试验的V形坡口每层每道轮廓相吻合，说明提出的基于抛物线模型的多层多道排布算法是准确可行的. 该研究成果为机器人焊接相贯构件的多层多道焊道排布提供了重要的理论基础.
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  镍基焊接材料熔滴特性及焊态熔敷金属与低温钢力学性能匹配

  李晓泉, 陈吉兴, 陈峰, 张旭, 韩玉君, 杨宗辉

  焊接学报. 2023, 44(7): 89-94. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220905002

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  以真空冶炼 + 电渣重熔二步法制取镍合金焊芯，设计高碱度药皮形成复层梯度型熔渣，并研制出ENiCrMo-6深冷镍合金专用焊条. 对研制焊条熔敷金属和采用ENiCrMo-6型异质材料焊接9Ni钢接头的力学性能进行试验. 借助Acuteye高速摄像技术研究熔滴过渡及熔池流动特性，采用JSM-6360LV型扫描电子显微镜分析复层熔渣结构. 对焊缝和热影响区进行观察和分析以从不同角度探讨低温断裂行为. 结果表明，针对液态镍合金熔滴过渡颗粒粗大、流动性差、焊缝成形困难问题，通过药皮设计形成复层梯度型熔渣可有效解决焊缝成形. 焊缝组织中，抑制奥氏体柱状晶粗化、减小超低温条件下的塑性损伤是保证低温韧性的重要条件. 采用ENiCrMo-6型焊条焊接9Ni钢，其焊态热影响区过热对板条马氏体和逆变奥氏体相的影响并不显著. 通常情况下，焊接加热不致严重降低过热区中板条马氏体间残留逆变奥氏体相，从而对过热薄弱区低温韧性具有组织保证作用.
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  7075-T651铝合金摩擦塞补焊接头的组织与性能

  李书新, 孙转平, 刘旭, 王立梅, 马帅

  焊接学报. 2023, 44(7): 95-101. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220903001

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  以2219-T87铝合金为塞棒材料，采用摩擦塞补焊工艺对8 mm厚7075-T651铝合金进行焊接，并对不同工艺参数下接头的成形、微观组织、力学性能等进行观察和测试.结果表明，采用优化的工艺参数可以获得无缺陷的接头，塞棒和母材摩擦界面形成了等轴晶.根据组织形貌可以把摩擦塞补焊接头分成再结晶区、热力影响区、塞棒热力影响区、热影响区、塞棒热影响区和母材6个区，热力影响区组织发生了变形和长大以及沉淀相的溶解和粗化，局部发生了软化，尤其是塞棒热力影响区硬度值最低，在90 ~ 95 HV左右，拉伸试验时无缺陷的接头断裂位置在塞棒区，断裂模式为韧性特征. 摩擦塞补焊接头抗拉强度最高可达343 MPa，断后伸长率最高达7.0%，分别达到母材的63.8%和77.8%.
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  粉芯丝材激光增材制造Fe-xMn-6Si-9Cr-5Ni合金记忆性能

  朱长顺, 毛计洲, 王宏宇, 黄金雷, 朱建

  焊接学报. 2023, 44(7): 102-108. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220819003

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  为提升铁基记忆合金性能，控制增材制造过程中的元素烧损率，使用粉芯丝材激光定向能量沉积技术制备了不同锰含量Fe-xMn-6Si-9Cr-5Ni(x = 14, 17, 20)合金. 研究了在不同预变形量下合金的形状回复率和显微组织，进而探究了该合金记忆性能显著提高的机理. 结果表明，粉芯丝材激光增材制造Fe-xMn-6Si-9Cr-5Ni合金，在增材制造过程中的元素烧损率仅为25.6%，在沉积态合金中产生了可提高合金记忆性能的降温马氏体. 其中，锰的质量分数为17%的合金，在预变形量为4%和6%时的形状回复率分别达到75%(可回复变形量为3%)和63%(可回复变形量为3.78%).
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  SLM和SLM + HT成形TA17合金的微观组织与变体选择特征

  付超, 芦丽莉, 袁军, 叶义海, 黄卫东

  焊接学报. 2023, 44(7): 109-115. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220908003

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  为了系统认识选区激光熔化(selective laser melting, SLM)成形TA17合金微观组织特征，对SLM和SLM + 热处理(heat treatment, HT)两种状态下TA17合金的微观组织进行表征和分析. 结果表明，在极快的冷却条件下，SLM成形的TA17钛合金形成了以细小针状α相为主的微观组织，其织构类型主要为{0 0 0 1} < 1 0 −1 0 >、{1 0 −1 0} < 1 1 −2 0 >及{1 1 −2 0} < 1 0 −1 0 >3类板织构，且变体具有明显选择性特征，倾向于析出60°/[1 1 −2 0]和60.83°/[−1.377 −1 2.377 0.359]两类变体. 在950 ℃/2 h + 空冷后，TA17合金形成双态α相组织，组织形貌为典型的等轴状 + 板条状，织构散漫程度增加，强度显著降低，变体选择发生变化，60°/[1 1 −2 0]和60.83°/[−1.377 −1 2.377 0.359]两类变体减少，转变为63.26°/[−10 5 5 −3]类变体.
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  1 000 MPa级高强钢熔敷金属强韧化机理分析

  曹志龙, 朱浩, 安同邦, 王晨霁, 马成勇, 彭云

  焊接学报. 2023, 44(7): 116-122. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220609002

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  自主设计4种不同镍含量(ω_Ni)的Ni-Cr-Mo系焊丝，采用TIG焊制备1 000 MPa级高强钢熔敷金属. 利用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等对不同镍含量的熔敷金属微观组织进行表征，通过拉伸、冲击、硬度试验对熔敷金属力学性能进行测试，探求镍含量对1 000 MPa级高强钢熔敷金属强韧性机理的影响规律. 结果表明，不同镍含量熔敷金属组织均由板条马氏体、板条贝氏体、联合贝氏体和残余奥氏体组成；镍含量不同，微观组织不同；随着镍含量增加，柱状晶宽度增大，板条马氏体、联合贝氏体和残余奥氏体增多，板条贝氏体减少，熔敷金属强度提高，塑性降低；当ω_Ni为5.44%时，强韧匹配最佳，屈服强度为1 005 MPa，−50 ℃下冲击吸收能量为95 J.
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  IGBT模块焊层的被动热循环可靠性分析

  曾杰, 檀浩浩, 杨方, 周望君, 李亮星, 常桂钦, 罗海辉

  焊接学报. 2023, 44(7): 123-128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220517002

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  有众多基于加速试验与数学模型研究焊层可靠性的方法被报道，但是这些方法对模块各焊层间的差异及失效机理认知不足. 基于某款绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)模块为研究对象，通过设计被动热循环(TC)加速试验，结合精细超声扫描(scanning acoustic microscope, SAM)的方法高效评价了不同焊层的TC耐热疲劳可靠性. 结果表明，该封装体系下母排焊层的可靠性最差，衬板的可靠性最高. 在热应力及化学势作用下，镀层中磷的相对含量及界面金属间化合物的厚度逐渐增加引起界面结构不匹配性增强，导致界面裂纹的萌生和生长，其中镀层结构的变化起主导作用.
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  2023-7 期英文摘要

  焊接学报. 2023, 44(7): 129-136.

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