2023年, 第44卷, 第8期　
刊出日期：2023-08-25

  

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研究论文
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  旁路等离子-MIG复合电弧及耦合熔池作用机理与数值分析

  王子然, 苗玉刚, 王林, 马旭伯, 魏超, 张本顺

  焊接学报. 2023, 44(8): 1-6,13. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220909004

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  旁路等离子-MIG复合工艺是通过等离子焊枪的导电铜嘴与焊丝之间形成的分流弧、焊丝与母材之间的主路弧同轴耦合进行焊接的新型工艺，不但保持了MIG焊的高效性，还可以通过对旁路电流的调节实现焊接过程能量的精确控制. 为了深入了解该工艺条件下复合电弧与耦合熔池的物理作用机制，通过建立流体动力学瞬态计算模型，并基于合理的试验验证，对旁路电流加载前后气液两相内部及界面处的传热传质行为进行了对比研究. 结果表明，相比未加载旁路电流时，电弧的最高温度下降约1 000 K，同时电弧与耦合熔池交界处的有效热通量整体下降；熔池内部液态金属回流速度明显下降，因此导致熔深和熔宽尺寸均有所减少；复合电弧和耦合熔池的最大电磁力方向没有改变，但数值均有所降低.
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  TC4钛合金EBW和TIG焊接头断裂韧性对比分析

  王东坡, 张子璇, 高文斌, 邓彩艳, 梁行, 王婷

  焊接学报. 2023, 44(8): 7-13. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220921002

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  采用电子束焊和氩弧焊方法制备的TC4钛合金接头，在4种温度条件下，测试了其焊缝、热影响区及母材的断裂韧性，并结合断口形貌、硬度分布及微观组织对比分析了断裂韧性测试结果. 结果表明，TC4钛合金TIG焊接头焊缝及热影响区的断裂韧性优于钛合金母材，CTOD值随温度下降而降低；相较之下，EBW焊接头焊缝断裂韧性值较母材更低，热影响区断裂韧性与母材较接近，温度变化对其CTOD值无显著影响. 钛合金TIG焊接头焊缝区域具有较低硬度值，其网篮状α相和较低比例的马氏体分布是其断裂韧性较高的根本原因；而钛合金EBW焊接头焊缝中针状马氏体的分布导致其局部硬度较高，并降低了断裂韧性.
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  高速保护气流向对光纤激光深熔焊接羽辉的影响

  孔华, 杨武雄, 邹江林, 赵振家

  焊接学报. 2023, 44(8): 14-20. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220920001

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  光纤激光深熔焊接羽辉可分为底部摆动羽辉和类似于激光束聚焦形态的狭长形羽辉. 采用6 kW的光纤激光焊接低碳钢，对比研究了旁轴高速保护气流对这两部分羽辉的影响. 结果表明，高速保护气流对狭长形羽辉具有明显的抑制效果，但其流向对焊接过程稳定性的影响则明显不同：气流逆焊接方向时飞溅多、熔深浅、焊缝成形差；气流沿焊接方向时飞溅少、熔深加深、焊缝成形良好，保护气流逆焊接方向时，小孔口前部凸起液柱发生偏折，小孔口缩小、熔池波动更剧烈. 进一步分析表明，保护气流逆焊接方向时，小孔口前部凸起液柱向小孔口偏折并堵塞小孔、影响底部摆动羽辉的喷发是致使焊接过程稳定性恶化的主要原因. 在光纤激光焊接中，布置保护气时应该考虑其流向对底部摆动羽辉喷发状态的影响.
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  3D-SiO₂-fiber中间层对SiC与Nb真空钎焊的影响

  马蔷, 王涛, 陈永威, 何鹏, 陈晓江, 金晓, 郑斌

  焊接学报. 2023, 44(8): 21-27. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220930002

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  缓解异种材料钎焊接头残余应力过程中，针对颗粒增强相添加量少、团聚等问题，引入一种新型三维SiO₂短纤维编织，呈疏松、多孔结构的复合材料中间层 (3D-SiO₂-fiber) 辅助SiC陶瓷与Nb钎焊连接. 采用SEM，XRD和电子万能试验机等对活性钎料在3D-SiO₂-fiber中间层表面润湿性、接头微观组织和力学性能进行表征与分析. 结果表明，当Ti元素含量从4.5%增加到6.0%，AgCu-Ti活性钎料在3D-SiO₂-fiber中间层表面润湿角从90°降低到3°，润湿性得到显著改善，且AgCu-Ti活性钎料浸入3D-SiO₂-fiber中间层深度不断增加；随着钎焊温度的提高 (950 ~ 980 ℃) 及保温时间 (10 ~ 25 min) 的延长，SiO₂短纤维与AgCu-6.0Ti活性钎料反应逐渐充分. 该方法不仅保证SiO₂短纤维能够大量添加到合金钎料中，而且形成Cu₃Si，TiSi，α-Ti及Ti₂Cu颗粒相弥散分布于焊缝中，从而有效缓解钎焊接头残余应力，提高接头力学性能，实现陶瓷与金属复合构件的可靠连接.
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  表面微结构对铝合金与PA66激光焊性能影响

  张功达, 朱琦, 刘亚运, 王传洋

  焊接学报. 2023, 44(8): 28-33,48. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221002002

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  为提高金属与塑料的激光焊接头强度，提出了异种材料的微结构激光焊的方法. 为探究表面微结构参数对金属与塑料激光焊头强度的影响，焊接前采用飞秒激光在金属表面制备了不同参数的微结构；采用拉伸剪切试验、连接界面以及断面微观观测等方式探究了微结构参数对焊接接头强度的影响机制. 结果表明，金属与塑料的焊接接头强度与微结构的填充效果以及连接面积有关，随着微结构尺寸的增加，金属与塑料焊接接头强度增加，但过大的微结构尺寸会使得熔融塑料无法对微结构进行充分填充，未填充缺陷的出现会使焊接接头的强度减小； 随着间隔距离的增加，微结构覆盖率下降，金属与塑料有效连接面积减少，焊接接头强度持续减小.
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  模态试验法测试焊接残余应力机理分析及模型参数估计

  甘世明, 徐艳文, 韩永全, 翟之平

  焊接学报. 2023, 44(8): 34-40. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220928002

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  为避免残余应力对焊接结构的不利影响，保证其可靠性，需要探究残余应力分布. 模态试验法因具有快速和无损的特点，逐渐应用于残余应力测试. 为实现模态试验法测试焊接残余应力，通过振动理论分析了模态试验法的机理，获得了薄板焊件中残余应力与固有频率的关系；薄板焊件中的残余拉应力使固有频率减小，残余压应力使固有频率增大. 在此基础上，将钻孔法和模态试验相结合，借助数据拟合的方法，估计了模态试验法测试6 mm 7A52铝合金试板 VPPA-MIG(variable polarity plasma arc-metal inert gas)复合焊接残余应力的模型参数，确立了固有频率与残余应力的数值关系. 依据确立的数值关系，测得了7A52铝合金试板在不同复合焊接参数下的纵向残余应力分布. 结果表明，接头各区域的残余应力分布特征与钻孔法测得的结果基本一致，偏差在4%范围之内，估计出的模型参数能够保证模态试验法测试结果的可靠性，实现了焊接残余应力的快速和无损测试.
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  基于刻槽结构的复合杆爆炸焊接数值模拟

  周壮壮, 陈放

  焊接学报. 2023, 44(8): 41-48. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220930001

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  结合复合杆的结构特性，推导出考虑复管收缩产生塑性功影响的Gurney公式，并运用该公式对复管的碰撞速度进行计算，探究复管受冲击波驱动变形产生塑性功对碰撞速度的影响，并提出一种新型的刻槽式复管结构，通过该结构可以获得较好的焊接质量. 通过理论计算与有限元分析结果表明，普通圆管形钢管在基杆与复管间隙为3.5 mm时，炸药爆炸驱动复管获得的动能被塑性变形全部抵消，其碰撞速度为0，理论计算与仿真结果一致性较好；而在同等条件下，所设计的刻槽式复管结构仿真结果表明，其碰撞速度可以达到667.85 m/s，碰撞角度为13.877°，满足焊接下限碰撞速度要求. 基于此，二维微观仿真分析结果表明，结合界面处呈现出周期性波纹，并产生大量射流，在结合界面处温度超过两种金属的熔化温度，结合界面质量较好.
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  高压水下湿法焊接电弧等离子体介质击穿机制

  李志刚, 魏成法, 刘德俊, 杨翔

  焊接学报. 2023, 44(8): 49-56. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220923001

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  为研究深水湿法焊接电弧等离子体介质击穿机制，建立了高压水下湿法焊接试验平台，获取40 m水深电弧引弧阶段光谱图，基于PIC-MCC方法建立40 m水深湿法焊接电弧击穿放电三维数值模型并对其进行分析，将光谱诊断电弧等离子体温度、电子数密度和数值模型分析得到的结果进行对比，验证了模型的合理性与正确性. 根据电弧光谱得到的电弧等离子体的主成分，从微观粒子角度对高压水下湿法焊接电弧等离子体动态演变过程展开研究,获得等离子体动态分布、粒子数目、电弧等离子体温度及电子数密度变化.结果表明，电子与背景成分水分子发生电离碰撞主要生成H⁺，OH⁺和O⁺，且OH⁺数目增长速度最快， H⁺次之，O⁺最后，在粒子数目上OH⁺远远大于H⁺和O⁺数目；电子与背景气体碰撞过程中发生了能量转移，运动到极板介质层的电子动能减小，电子与极板介质层电离碰撞反应弱化，直至达到饱和.
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  热处理工艺对FGH96合金惯性摩擦焊组织与显微硬度的影响

  张春波, 梁武, 周军, 乌彦全, 张友昭, 李相伟

  焊接学报. 2023, 44(8): 57-62. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20230220002

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  采用惯性摩擦焊接方法进行了FGH96高温合金焊接，借助光学显微镜、扫描电子显微镜、显微硬度仪对焊态和热处理态FGH96惯性摩擦焊接头组织和显微硬度进行了研究. 结果表明，焊缝中心区内发生完全动态再结晶，再结晶晶粒细小，晶粒尺寸为4.6 μm ± 0.3 μm，且二次γ′ 相完全溶解，导致硬度低于母材组织. 随着远离焊缝，二次γ′相含量逐渐增加，距焊缝1.5 mm后γ′相体积分数基本保持不变，但γ′相形貌由球形逐渐向立方体转变，导致硬度逐渐增加. 经热处理后，焊缝区域内二次γ′相的含量与形貌变化规律与焊态相似，但热处理后基材晶粒尺寸从11.4 μm ± 0.3 μm增大至13.5 μm ± 1.0 μm，是导致热处理后基材硬度较焊态较低的原因；另外热处理后三次γ′相的析出是导致热处理态焊缝硬度高于焊态的原因.
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  Q460高强钢焊接T形截面纵向残余应力分布

  熊晓莉, 卢娅囡, 卢梦丹, 管欣旺, 李璐

  焊接学报. 2023, 44(8): 63-73. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220927001

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  采用分割法测量了4个Q460高强钢焊接T形截面的纵向残余应力分布；借助通用有限元程序ANSYS，采用热-结构耦合分析方法模拟钢板的切割和焊接过程，将数值模拟获得的纵向残余应力与试验值进行对比，从而验证有限元分析过程的正确性；基于有限元方法获得更多不同截面尺寸的Q460高强钢焊接T形截面纵向残余应力分布，对丰富的数据进行汇总分析，重点研究板件宽厚比和板厚对残余应力大小及分布的影响. 结果表明，残余拉应力分布在焊缝周边区域、翼缘和腹板外伸端，残余压应力则分布在翼缘外伸段中部及腹板中部区域；残余拉应力与板件宽厚比和板厚均无关，残余压应力与板件宽厚比和板厚成反比；翼缘和腹板的残余应力均达到自平衡. 提出的Q460高强钢焊接T形截面纵向残余应力分布模型，可为后续钢压杆的整体稳定承载力数值分析提供重要参考.
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  热输入对船用440 MPa级低合金高强度钢焊缝组织及性能的影响

  曾道平, 安同邦, 郑韶先, 马成勇

  焊接学报. 2023, 44(8): 74-82. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220911001

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  研制了一种Mn-Si-Ni-Cr系实心焊丝，用于新型船用440 MPa级低合金高强度(HSLA)钢焊接，采用热输入11.5，16.5和21.5 kJ/cm对该钢材进行了熔化极活性气体保护电弧焊，并使用光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等设备重点研究了热输入对焊缝组织及性能的影响. 结果表明，随着热输入的增大，焊缝组织先以粒状贝氏体和板条贝氏体为主转变为以针状铁素体为主，再转变为以针状铁素体、侧板条铁素体和先共析铁素体为主，而且焊缝中M-A组元含量、直径大于 1 μm的夹杂物占比和夹杂物的平均直径均逐渐增大；随着热输入的增大，焊缝硬度不断减小，焊缝、熔合线和熔合线 + 2 mm处的冲击韧性均先增大后减小，同时焊缝的耐腐蚀性能也先增大后减小；3种焊接接头的板拉伸弯曲试样均在母材处断裂，弯曲试样均完好.
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  外加横向磁场的异种钢角焊电弧热输入分配

  岳建锋, 谢昶, 赵金涛, 周玮, 刘文吉, 黄军芬

  焊接学报. 2023, 44(8): 83-90,97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221008001

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  提出对电弧施加横向磁场的方法，通过偏转电弧改变焊缝两侧电弧热分配，从而提升焊缝成形质量. 为了掌握外加横向磁场对电弧热输入分配的影响机制，开展了GTAW电弧热输入分配规律研究；建立了外加横向磁场下的异种钢角焊缝GTAW电弧-熔池耦合瞬态三维模型，对电弧温度场、电磁场、流场开展了耦合计算；对比分析了偏转焊枪与外加横向磁场偏转电弧两种电弧热量分配方式；在上述工作的基础上，研究了外加横向磁场偏转电弧方式磁感应强度对熔透形态和电弧热分配的影响规律. 结果表明，偏转焊枪方式在角焊中适应性较差，而外加横向磁场偏转电弧可获得更好的焊接质量. 相关研究可为此类异种钢角焊的焊接工艺参数优化提供技术支持.
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  一种基于能量耗散的对接接头疲劳寿命快速预测模型

  魏巍, 孙杨, 赵兴明, 陈明华, 邹丽, 杨鑫华

  焊接学报. 2023, 44(8): 91-97. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220929005

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  通过引入ISV(internal state variable)本构模型中的α和β变量，建立了一种与对接接头高周疲劳滞弹性和非弹性行为相关的能量耗散模型，并定义了两个特征应力幅，即标志着可恢复滞弹性和不可恢复非弹性行为开始形成的关键应力幅σ_c0和σ_c1(疲劳极限)；借助该能量耗散模型，研究了不同应力幅下的对接接头能量耗散响应情况，发现能量耗散在疲劳极限附近呈现从线性响应到非线性响应的过渡；在此基础上，考虑到当应力幅高于疲劳极限时，全寿命周期的能量耗散存在临界值，结合与损伤相关的非弹性耗散，研发了一种基于损伤累积的疲劳寿命预测模型，并对接头的疲劳寿命进行了快速预测. 结果表明，经预测数据和试验数据拟合的中值S-N曲线一致程度较好，从而证明了模型可用于实现对接接头的疲劳寿命快速、精确预测.
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  不同Si元素含量9Cr耐热钢熔敷金属铅铋腐蚀行为

  刘琛, 魏世同, 吴栋, 陆善平

  焊接学报. 2023, 44(8): 98-103. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221129002

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  为研究Si元素含量对9Cr铁素体-马氏体耐热钢熔敷金属在液态铅铋中腐蚀行为的影响，将不同Si元素含量9Cr铁素体-马氏体钢熔敷金属分别在550 ℃饱和氧及控氧(氧浓度：1 × 10⁻⁶% ~ 5 × 10⁻⁶%，质量分数)静态铅铋中进行腐蚀试验. 结果表明，熔敷金属在550 ℃饱和氧铅铋中形成双层结构氧化层，在550 ℃控氧铅铋中形成不连续钝化层和厚度不均匀的双层结构氧化层，钝化层在腐蚀过程中会通过渗透机制和断裂机制在部分区域发生失效，失效区域氧化加剧形成双层结构氧化层. 随着熔敷金属中Si元素含量的增加，饱和氧铅铋中的氧化层厚度降低，控氧铅铋中的钝化层连续性提高，熔敷金属在铅铋中的耐蚀性提高.
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  钨极几何特征对电弧与熔池热力行为的影响

  杨义成, 杜兵, 黄继华, 陈健, 徐富家, 黄瑞生

  焊接学报. 2023, 44(8): 104-108. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220918003

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  电弧热力行为是影响液态金属流动，调控焊接质量的关键要素.利用高速摄像与数值模拟相结合的研究方法，系统分析了空心钨极与实心两种电极特征对电弧热力分布特征的影响.结果表明，焊接电流为350 A时，实心钨极焊缝呈现出深而窄的焊缝成形特征，空心钨极焊缝呈现出浅而宽的焊缝成形特征；距试板表面1 mm，实心钨极与空心钨极电弧沿水平方向的温度场和压力场均呈典型高斯分布特征，中心位置处空心钨极电弧的温度值和压力值分别为实心钨极的61.9%和23.5%；中轴线上实心钨极电弧压力分布呈U形特征，空心钨极电弧压力分布呈N形特征；构建的电弧与熔池强耦合分析模型与实际情况之间具有较好的一致性，可实现对电弧和熔池热力行为的分析与预测.
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  1 400 MPa级超高强钢SH-CCT曲线及其热影响区组织和性能

  曹志龙, 朱浩, 安同邦, 王晨霁, 马成勇, 彭云

  焊接学报. 2023, 44(8): 109-115. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220913001

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  采用Formastor-F Ⅱ 全自动相变仪，结合光学显微镜(OM)和维氏硬度测试，研究不同冷却速率对1 400 MPa级超高强钢焊接热影响区(HAZ)粗晶区组织转变和性能的影响规律，绘制焊接连续冷却转变曲线(SH-CCT)，结合焊接工艺试验，采用公式法确定最佳焊接工艺参数. 结果表明，1 400 MPa级超高强钢马氏体临界转变冷却速率约为5 ℃/s，当冷却速率大于5 ℃/s时，热影响区粗晶区组织为单一板条马氏体，硬度值为487 ~ 509 HV5，冷却速率小于5 ℃/s时，粗晶区组织中出现中高温相变产物，即板条贝氏体、粒状贝氏体和铁素体等组织，硬度值下降为487 ~ 260 HV5，同时组织中还出现M-A组元，其含量随冷却速率降低先增加后减少，形态也由弥散颗粒状变为断续长条状或块状分布；厚度8 mm的1 400 MPa级超高强钢焊接时，热输入控制在20 kJ/cm以内，粗晶区组织为板条马氏体，硬度维持在500 HV5左右，粗晶区不发生软化现象，满足工程使用要求.
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  激光熔覆工艺对高熵合金组织与性能影响

  王永东, 宫书林, 汤明日, 宋闽

  焊接学报. 2023, 44(8): 116-122. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20220928001

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  为了探究激光熔覆工艺对高熵合金组织和性能的影响，使用激光熔覆技术在Q235基材表面制备不同熔覆工艺下的高熵合金涂层. 利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、X射线衍射仪等对高熵合金涂层进行显微组织形貌的观察及物相分析；利用显微硬度计、摩擦磨损试验机对涂层的硬度及耐磨性进行研究. 结果表明，宏观形貌上，扫描速度一定时，激光功率增大，涂层宽度增加，涂层表面更加平整； 激光功率一定时，扫描速度增加，熔覆层的宽度减小，相结构主要由体心立方(BCC)和面心立方(FCC)组成，扫描速度的增大或激光功率的降低，涂层中的晶粒变细小，且部分区域的胞状晶有向树枝晶生长的趋势，涂层硬度明显高于基材，最高可以达到553 HV，耐磨性要优于基体.
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  LD2铝合金与不锈钢惯性摩擦焊及高低温循环试验

  赵衍华, 张丽娜, 蔡菁青, 王炜, 郭盛斌, 沈岩

  焊接学报. 2023, 44(8): 123-128. https://doi.org/10.12073/j.hjxb.20221008002

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  采用惯性摩擦焊实现了LD2铝合金/0Cr18Ni9不锈钢异种金属的高质量连接，通过焊后加工的方式获得接头强度可达铝合金母材的96%. 对获得的优质铝/钢接头进行工艺研究，对比分析了高低温循环试验前后接头界面组织、密封性、承压力及硬度等性能. 结果表明，采用优化焊接工艺可获得无缺陷铝/钢异种金属焊接接头，界面金属间化合物层厚度约为500 ~ 600 nm，且分布均匀、连续；焊接接头发生了元素扩散，界面形成了富硅的FeAl_x相；接头断裂形式以韧性断裂为主的混合断裂；密封性和承压能力良好；高低温循环试验后的接头界面显微组织、密封性和承压能力基本无变化；高温循环后，时效强化导致铝合金侧的硬度值较初始和低温状态提升约10%.
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  2023-8 期英文摘要

  焊接学报. 2023, 44(8): 129-136.

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