2020年, 第56卷, 第6期　
刊出日期：2020-03-20

  

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铝与镁/铜合金的焊接
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  铝-镁异质合金搅拌摩擦焊接成形的研究进展

  武传松, 吕学奇, 宿浩, 石磊

  机械工程学报. 2020, 56(6): 4-16. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.004

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  随着现代工业生产对环境保护、节能减排等要求的不断提高，采用铝、镁等合金的轻量化结构在航空航天、高速列车、汽车制造、新能源等各领域的应用越来越广泛。其中，铝-镁异质合金的连接，面临诸多挑战，也是最亟待解决的关键技术问题之一。与其他连接方法相比，搅拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）在连接铝-镁异质合金时优势明显，近年来也涌现出多种基于FSW的改型工艺。根据近年来铝-镁异质合金FSW领域的研究进展，全面评述了该领域的研究现状和下一步应重点关注的问题。旨在厘清铝-镁异质合金FSW及其改型工艺的物理机制、技术难点和解决思路，推动铝-镁异质结构在汽车等行业中的广泛应用。
  
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  铝/铜电弧熔钎焊接头界面组织及演变研究

  黄健康, 杨涛, 于晓全, 王梓懿, 樊丁

  机械工程学报. 2020, 56(6): 17-23. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.017

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  采用旁路耦合电弧焊方法实现了铝合金与紫铜的熔钎焊，并研究焊后退火下铝/铜界面组织的演变。采用扫描电镜观察焊后及不同退火工艺下界面微观组织的形貌，同时，通过能谱仪及X射线衍射对界面的物相进行确定，并通过蒙特卡洛结合原胞自动机方法建立界面金属间化合物的热力学-动力学模型，分析了界面组织的演变行为。结果表明，通过旁路耦合电弧方法可实现铝/铜的熔钎焊，铝/铜焊接接头经250～400℃退火3 h后，界面处最终形成CuAl、Cu₉Al₄和CuAl₂三种金属间化合物，随着退火温度的增加，界面金属间化合物厚度呈线性增加，最大厚度为38.39 μm，铜-铝界面金属间化合物的形成由原子间互扩散和界面化学反应共同决定。
  
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  超声功率对UVeFSW铝-镁合金异质接头组织与性能的影响

  赵俊杰, 宿浩, 石磊, 武传松

  机械工程学报. 2020, 56(6): 24-32. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.024

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  将超声振动辅助搅拌摩擦焊接（Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding-UVeFSW）新工艺用于铝-镁异质合金的连接。选取低（75 W）、中（220 W）、高（550 W）三档超声功率，比较和分析了超声功率变化对焊接载荷、焊缝宏观金相、金属间化合物层及接头拉伸性能的影响。结果表明，当外加超声功率适当时，超声作用与搅拌摩擦焊接过程本身的热-力-流耦合机制产生最佳的协同效应。超声振动在搅拌摩擦焊接过程中的作用效果并不是随着超声功率的提高而一直增强；只有在超声功率适中时，焊接过程和接头组织与性能的改善效果最大。从超声的声软化效应、减摩效应、促进位错湮灭等方面，对试验结果给予了初步解释。
  
铝合金与钢的焊接
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  铝-钢异质金属双光束激光焊接IMC层迁移行为及对界面性能的影响

  袁锐, 邓胜杰, 崔海超, 麻寕绪, 芦凤桂

  机械工程学报. 2020, 56(6): 33-40. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.033

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  利用双光束激光熔-钎焊焊接方法开展了AA7075/DP590异质金属的连接，通过改变激光功率等焊接工艺发现熔钎焊接头显微组织中存在金属间化合物（Intermetallic compound，IMC）层脱离铝-钢界面整体迁移进入焊缝内部的特殊现象，迁移现象位于激光直接作用区域，数值模拟发现激光直接作用下的熔池剧烈流动驱动了IMC的迁移。对迁移部分IMC层物相表征分析发现，近铝-钢界面处发生迁移的IMC层形貌呈致密平板状，与铝-钢界面处IMC层相似，由η相组成；迁移深入焊缝内部的IMC层内有裂纹、断裂产生，由θ相组成，裂纹处存在铝焊缝组织长入，发生迁移的IMC层内部存在η相与θ相的过渡区。拉伸结果表明，IMC层迁移现象的出现会削弱焊接接头铝-钢界面处的强度，这是因为界面初生的IMC层薄弱，止裂能力差，所以控制IMC层迁移有利于提高接头力学性能。
  
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  6061-T6铝合金/SPCC冷轧钢激光熔钎焊特性研究

  张建勋, 江旭, 徐甄真, 张贵锋

  机械工程学报. 2020, 56(6): 41-49. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.041

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  针对2 mm厚的6061-T6铝合金与SPCC冷轧钢板，采取填丝激光熔钎焊方法，研究预涂钎剂、坡口角度、坡口形貌、钎料成分对熔钎焊接头的组织成分及力学性能的影响。结果表明，预涂Nocolok钎剂可以显著改善钎料的润湿性能；在钢母材侧预制60°坡口比预制45°坡口时的激光熔钎焊接头力学性能更好；当对钢母材预制60°坡口时，在激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量、光斑中心的偏移距离分别为3.1 kW、0.5 m/min、2 m/min、?8 mm、+0.6 mm时，以Al-Cu焊丝作为填充钎料，界面形成短须状的Fe-Al金属间化合物层，厚度在5～8 μm，Cu元素以置换Fe元素的方式固溶在Fe-Al金属间化合物相中改善其脆性，接头的平均及最大抗拉强度分别为147 MPa、159 MPa；以Al-Mg焊丝为填充钎料时，界面形成锯齿状的Fe-Al金属间化合物层，厚度在8～12 μm，Mg元素仅聚集在脆性相外侧，对Al-Fe脆性相的生长无明显抑制作用，在激光功率为3 kW时，接头的平均抗拉强度为118 MPa；以Al-Si焊丝为填充钎料时，界面形成小锯齿状的Fe-Al金属间化合物层，厚度在3～4.5 μm，Si元素将固溶在Fe-Al金属间化合物相中抑制其生长，在激光功率为3 kW时，接头的平均抗拉强度为129 MPa。
  
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  气载钎剂辅助钢/铝激光熔钎焊工艺与组织

  喻高扬, 陈树海, 黄继华, 杨健, 赵志毅

  机械工程学报. 2020, 56(6): 50-56. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.050

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  为解决钢/铝异种金属熔钎焊过程中液态金属铝在固态钢表面润湿性差的问题，提出一种气载钎剂辅助钢/铝异种金属激光熔钎焊的新方法。采用不锈钢与5052铝合金作为母材，分别进行激光填丝与无丝搭接熔钎焊试验。研究焊接线能量对接头润湿角、接头力学性能的影响，分析有无焊丝情况下接头典型微观组织。结果表明，气载钎剂辅助不锈钢/铝合金异种金属激光熔钎焊能有效解决液态金属在不锈钢表面的润湿铺展性问题。填丝搭接熔钎焊得到的接头润湿角最小值为37°，接头拉伸强度最大达到132.8 MPa，约为铝合金强度（211.7 MPa）的62.7%；无丝搭接熔钎焊得到的接头润湿角最小值为18.8°，接头拉伸强度最大达到109.2 MPa，约为铝合金强度的51.6%。在填丝、无丝焊接时，钢侧界面均会形成Fe₂Al₅与FeAl₃两层金属间化合物（Intermetallic compounds，IMCs）。
  
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  铝合金与高强钢激光-电弧焊铆复合连接机制研究

  韩锐波, 王红阳, 杨帆, 刘黎明, 祝美丽

  机械工程学报. 2020, 56(6): 57-64. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.057

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  为实现6061铝合金和Q460高强钢的优质连接，采用激光诱导电弧复合热源对已通过阶梯型铆钉实现预连接的6061铝合金板和Q460高强钢板进行搭接焊试验。分析焊铆复合连接方法下接头的力学性能，断裂模式以及横截面的宏观和微观形貌。结果表明，在铆钉和复合热源的共同作用下，焊铆复合连接接头由3个承载区域组成，分别为钢板和铆钉形成的对接接头，钢板，铆钉以及铝合金板形成的铝-钢连接区以及铆钉侧壁和铝合金板侧壁形成的铝-钢界面。铝-钢连接区的金属间化合物以富Fe的FeAl相和Fe₃Al相为主。在最佳工艺参数下，焊铆复合连接接头的拉剪载荷达到6.2 kN。拉伸断口呈现出纽扣式断裂、母材基体断裂以及拉拔式断裂3种断裂模式，后两种断裂具有更高的韧性和塑性。阶梯型铆钉和激光-电弧复合热源的协同作用可以实现铝合金和高强钢的优质连接。
  
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  DP590钢/7075铝异种金属搅拌摩擦搭接焊界面组织与力学性能研究

  于海洋, 胡志力

  机械工程学报. 2020, 56(6): 65-72. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.065

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  对7075-T6铝合金和镀锌DP590钢板进行了搅拌摩擦搭接焊，并结合焊接过程中温度场、流场数值模拟结果，研究了金属间化合物（Intermetallic compound，IMC）厚度以及钩状结构对接头力学性能的影响规律。结果表明，IMC厚度较大时，IMC层在焊接残余应力作用下产生微裂纹，降低了接头冶金结合强度，当IMC厚度由0.8 μm增大至4.3 μm时，接头拉剪载荷降低17.8%。当钩状结构高度较大时，钩状结构上下两端宽度差较大，在拉剪载荷作用下钩状结构受力不均，薄弱部位易发生应力集中而断裂，降低了接头机械结合强度，接头性能随钩状结构高度的增大而下降。
  
轻质金属与非金属的连接
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  轻质金属与陶瓷连接研究综述

  李淳, 王志权, 司晓庆, 亓钧雷, 冯吉才, 曹健

  机械工程学报. 2020, 56(6): 73-84. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.073

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  轻质金属由于其高比强度的优点，在航空航天、能源、汽车、建筑、包装与交通运输等诸多领域中得到了广泛的应用。然而大多数轻质金属的高温强度较低，将轻质金属与陶瓷连接起来制备成复合结构有助于获得质量较轻，高温性能优良的构件。本文综述了钛合金，铝合金，锆合金与TiAl金属间化合物等常用轻质金属与Al₂O₃、ZrO₂、SiC、SiO₂、Si₃N₄与MAX相等常见陶瓷及SiO_2f/SiO₂和C_f/SiC等陶瓷基复合材料的钎焊，扩散焊的研究现状，并介绍了如中间层法，复合钎料法与界面结构设计等常用的缓解轻质金属与陶瓷接头中残余应力的方法，综述了中间层与复合钎料中增强相的选取原则，讨论了目前轻质金属与陶瓷连接中存在的问题与发展趋势。
  
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  金属与塑料激光连接的研究现状与展望

  檀财旺, 苏健晖, 冯紫微, 陈波, 宋晓国, 冯吉才

  机械工程学报. 2020, 56(6): 85-94. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.085

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  总结了近年来金属与塑料激光连接的国内外研究成果，分别从工艺研究、温度场模拟、气泡产生及抑制和接头性能调控等四个方面分析了金属与塑料激光连接的难点及存在的主要问题。首先对金属与塑料的连接工艺进行讨论，阐明激光功率、焊接速度和离焦量等参数对接头强度的影响，并介绍了工艺参数的优化方法；概括了有限元温度场模拟计算对接头宽度和强度的预测效果；通过总结气泡的产生过程，阐述了其对接头性能的影响；并从金属与塑料的连接机理角度阐述了接头性能调控的手段。最后对金属与塑料的研究目前仍存在的问题进行总结，并对其发展做出展望。
  
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  Ag-CuO钎料空气反应钎焊AlN陶瓷接头组织及性能

  罗云, 胡胜鹏, 李子寒, 许志泉, 张雷, 宋晓国, 张丽霞

  机械工程学报. 2020, 56(6): 95-101. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.095

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  采用Ag-CuO钎料实现了AlN陶瓷与自身的空气反应钎焊。研究了CuO含量、钎焊温度和预氧化温度对界面组织及力学性能的影响规律，分析了连接机理。当钎料成分为Ag-6 mol% CuO，在1000℃/5 min的钎焊参数下，AlN/Ag-CuO/AlN接头可获得最高的抗剪切强度为13.9 MPa。采用SEM、EDS及XRD对其接头界面显微组织、断口形貌及成分进行了分析。典型接头界面组织结构为AlN/CuAl₂O₄/CuO/AlN+Ag+CuO/CuO/CuAl₂O₄/AlN。然而，在该条件下无法获得无缺陷的接头。为了降低残余热应力获得无缺陷的接头，对AlN陶瓷采用预氧化处理，在AlN陶瓷表面形成一层Al₂O₃层。当预氧化参数为1 000℃/5 h时，AlN陶瓷表面的Al₂O₃层厚度约为10 μm。采用成分为Ag-6 mol% CuO的钎料，在1 000℃/5min的钎焊参数下，对预氧化后的AlN陶瓷进行连接，获得了无缺陷的接头，接头典型界面显微组织为AlN/Al₂O₃/CuAl₂O₄/CuO/Ag+Al₂O₃/CuO/CuAl₂O₄/Al₂O₃/AlN。接头的抗剪切强度最高为22.6 MPa，与未氧化的AlN陶瓷接头相比提升了62.6%。接头进行抗剪切测试时，断面主要出现在AlN陶瓷母材。
  
钛合金的焊接
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  钛合金快频脉冲柔性波形调制TIG焊接工艺

  吴健文, 徐孟嘉, 范文艳, 陈浩宇, 江东航, 王振民

  机械工程学报. 2020, 56(6): 102-109. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.102

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  基于自主研制的SiC MOSFET快频脉冲焊接电源系统，提出一种钛合金“快频脉冲柔性波形调制”TIG焊接技术。快频脉冲焊接电源采用SiC MOSFET作为逆变功率器件，大幅提高电源的逆变频率和动态响应特性，加强高频段电弧控制效果，实现了20 kHz规整快频脉冲柔性电流波形的稳定输出。将快频脉冲柔性波形调制TIG焊技术应用于钛合金TC4焊接过程，研究结果表明：与传统脉冲TIG焊对比，快频脉冲柔性波形TIG电弧收缩效果明显，电弧径向尺寸显著减小；快频脉冲柔性波形调制TIG焊技术具有显著的细化焊缝晶粒和减少热影响区粗化的效果，钛合金焊缝晶粒尺寸减小了约71%。
  
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  冷金属过渡条件下铜合金在钛和钢表面上的润湿行为与界面特征

  常敬欢, 曹睿, 林巧力

  机械工程学报. 2020, 56(6): 110-117. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.110

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  研究冷金属过渡条件下ERCuNiAl铜合金分别在裸钢板、热镀锌钢板和纯钛板表面的润湿行为和界面特征。结果表明，铜合金在裸钢、热镀锌钢和纯钛表面的润湿性均随着送丝速度的增大而变好，在同等送丝速度下铜合金在裸钢表面的润湿性要好于镀锌钢表面。此体系属于典型的温度依赖润湿体系。铜合金在镀锌钢表面润湿时，由于镀锌层中锌的挥发带走热量使得界面反应温度降低，导致界面反应变弱，润湿性变差；在电弧的作用下，熔滴周围形成了富锌区，其中铝富集于此区域并形成了AlFeZn₈和Al₅Fe₂化合物。铜合金在裸钢表面润湿时，由于铝与铁具有较强的亲和力，在电弧的作用下，焊丝中的铝很容易在界面上发生反应，从而形成明显的Cu-Fe-Al界面反应层。铜合金在纯钛表面润湿时，由于Ti在Cu中的固溶度较低，在电弧的作用下，铜和钛互溶形成明显的界面反应层，主要由TiCu、Ti₂Cu和a-Ti组成。
  
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  TC4钛合金水下激光填丝焊接工艺研究

  郭宁, 成奇, 付云龙, 张欣, 徐昌盛, 黄潞

  机械工程学报. 2020, 56(6): 118-124. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.118

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  TC4钛合金的激光填丝焊成功地被应用到水下领域。通过调节焊接速度和送丝速度，研究TC4钛合金的水下激光填丝焊接工艺，来获得高质量的水下焊缝。焊接结束后，分析了不同工艺参数下焊缝的宏观形貌，微观成形，以及微观组织和力学性能。结果表明，当焊接速度和送丝速度分别为20 mm/s和60 mm/s时，可以得到成形良好、连续稳定的焊缝。焊缝中心区是分布散乱的针状马氏体，热影响区主要可以分为近焊缝区和近母材区两部分，近母材区的α'相比近焊缝区的α'相少，这是因为近焊缝区的温度更高，更多的β相转变成α'相。随着焊接速度（或送丝速度）的增大，接头的屈服强度与冲击韧度均表现出先增加后减少的趋势，并且在焊接速度为20 mm/s，送丝速度为60 mm/s时，二者均达到最大值，屈服强度为813.42 MPa，冲击韧度为39.07 J/cm²。较大的深宽比和焊缝横截面积可以提高接头的力学性能。通过扫描电镜观察分析断口形貌，发现断口为解理和韧性混合断裂形式。
  
电阻点焊、铆接与其他点连接方法
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  轻量化薄壁结构点连接技术研究进展

  李永兵, 马运五, 楼铭, 张国涛, 张庆鑫, 祁麟, 邓琳

  机械工程学报. 2020, 56(6): 125-146. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.125

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  汽车、机车、飞机、火箭、飞船等载运工具普遍具有薄壁结构特征，薄壁结构的轻量化是提高载运工具性能和竞争力的关键。综合考虑轻量化的成本和效果，采用多材料、多结构混用，在降低产品自重的同时为产品设计提供更多的选择，已经成为轻量化技术发展的必然趋势。电阻点焊和铆接作为典型的点连接工艺，大规模应用于载运工具薄壁结构的制造，是先进制造领域的基础工艺。然而，高强钢、高强铝合金、铸铝、镁合金、复合材料等高比强度轻量化材料以及铸件、挤压型材等轻量化结构的应用对传统点连接工艺提出巨大挑战，也促进了传统点连接工艺的技术变革和新型复合连接工艺的创新发展。为此，本文从电阻点焊、铆接以及复合点连接工艺三个方面进行综述，系统阐述了近年来各工艺的研究进展，重点分析了新工艺的机理、优势、局限性、应用现状及发展趋势，旨在为新型轻量化薄壁结构的设计与制造提供有益借鉴。
  
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  轻质异种材料搅拌摩擦点焊技术研究进展

  汤祖阳, 王亚强, 董红刚

  机械工程学报. 2020, 56(6): 147-158. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.147

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  由于汽车工业轻量化的要求，轻质材料复合结构取代单一材料结构的方法受到社会各界的广泛关注。对于异种材料复合结构的连接，传统焊接方法具有一定的局限性。搅拌摩擦点焊技术作为一种绿色、高效、固相连接技术，在异种材料连接方面具有很大潜力，国内外学者针对异种材料搅拌摩擦点焊开展了大量研究。从铝-碳纤维增强热塑性树脂基复合材料、铝-铜和铝-钢三种复合结构搅拌摩擦点焊的研究现状出发，阐述了国内外科研人员在焊接工艺、微观组织演变以及接头力学性能等方面的研究成果，并展望了搅拌摩擦点焊技术现阶段亟待解决的热点问题以及发展趋势。
  
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  铆钉结构对铝合金板搅拌摩擦单面铆接穿透力的影响研究

  闵峻英, 张凯, 王爽, 林建平

  机械工程学报. 2020, 56(6): 159-168. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.159

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  利用三种基于不同铆钉穿透机理的搅拌摩擦单面铆接工艺（Friction stir blind riveting，FSBR）对AA6061-T6（厚度为1 mm）与AA6022-T4（厚度为2 mm）铝合金板进行了铆接。发现完全依靠挤压机理实现铆钉穿透的工艺（FSBR-III），其最大铆钉穿透力比另外两种同时依靠挤压与切削机理实现铆钉穿透的工艺（即FSBR-I和FSBR-II）分别高33%与83%。通过分析铆钉穿透单一工件的过程，建立了工件材料去除率与铆钉穿透力的关系曲线，并综合考虑铆钉穿透机理以及摩擦热的影响，分析了穿透过程中不同结构铆钉的穿透力变化规律。研究发现，挤压机理在铆钉穿透机理中所占比重越高，则相同材料去除率下铆钉穿透力越大，同时穿透力受摩擦热的影响越明显。此外，通过接头断面观察，发现铆钉切削性能更优异的FSBR-II，所得接头中的上下工件间隙最小；FSBR-I与FSBR-II工艺会产生切屑，而在FSBR-III连接过程中没有切屑产生。
  
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  DP780/AA6061薄板自冲铆接头微动损伤特性

  魏文杰, 何晓聪, 张先炼, 卢嘉伟

  机械工程学报. 2020, 56(6): 169-175. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.169

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  对高强钢DP780与铝合金AA6061薄板的异质自冲铆接连接工艺进行研究，并分别制备了不同搭接顺序的DP780/AA6061（SA）和AA6061/DP780（AS）接头。对两组接头进行了高周疲劳试验，对比分析了两组接头的疲劳性能与失效行为，并进一步利用微观检测技术较系统地分析了两组接头的微动损伤机理。结果表明：AS接头的疲劳性能明显优于SA接头，且两组接头疲劳失效模式依次为铆钉断裂和下板断裂。SA接头和AS接头的上板近端与下板末端接触区域、上板近端与下板远端接触区域和铆钉与下板近端接触区域均发生微动磨损。微动磨损会导致SA及AS接头的铆钉和下板近端均出现疲劳裂纹，由于板材性能的差异，裂纹在铆钉和下板上的传播路径和扩展速率不同，最终导致接头失效模式存在差异。
  
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  不等厚2219铝合金板回填式搅拌摩擦点焊接头组织及性能研究

  邹阳帆, 王非凡, 李文亚, 禇强, 汤化伟, 崔凡

  机械工程学报. 2020, 56(6): 176-183. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.176

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  针对航空航天技术需求，采用回填式搅拌摩擦点焊技术对不等厚（2 mm+8 mm）2219铝合金板进行了焊接。通过改变焊接工艺参数（旋转速度、焊接时间和下压量），分析了不同焊接参数对点焊接头宏、微观组织及力学性能的影响规律。结果表明，随着旋转速度的增加，点焊接头拉剪力先增加，后降低；而延长焊接时间，可以提高接头拉剪力，但过长的时间会导致接头拉剪力降低；焊接下压量的选择，既要保证上下板的结合，又不能导致下板过度软化。当旋转速度为1 800 r/min，焊接时间为6 s，下压量为2.6 mm时，所获点焊接头的拉剪力最大，为7 924 N。回填式搅拌摩擦点焊接头有三种断裂型式：塞型断裂、剪切断裂和塞型-剪切混合型断裂。其中，发生塞型-剪切混合型断裂时，点焊接头的拉剪力较大。
  
搅拌摩擦焊接
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  搅拌摩擦焊材料流动的试验表征研究现状

  甄云乾, 刘小超, 申志康, 陈海燕

  机械工程学报. 2020, 56(6): 184-192. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.184

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  搅拌摩擦焊作为一种较新的固相连接技术，在航空航天、高速列车、汽车、船舶等机械制造领域中具有广阔的应用前景。充分认识搅拌摩擦焊接过程中的塑性材料流动，对于深刻理解焊缝成形机理、优化焊接工艺具有重要的理论指导意义。综述了当前搅拌摩擦焊塑性材料流动的试验表征技术研究现状，重点分析了采用“点”、“线”、“面”和“体”形标记材料来研究塑性材料流动的优缺点。在此基础上，综述了搅拌摩擦焊缝成形机理的研究现状，探讨了关于材料流动的尚未有效解决的关键科学问题。
  
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  T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究

  曾申波, 陈高强, 刘瞿, 张弓, 史清宇

  机械工程学报. 2020, 56(6): 193-199. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.193

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  通过一系列工艺参数试验，获得无缺陷的T型接头焊缝。针对缺陷的形成，重点分析三种不同的搅拌针，即圆锥光针、圆锥螺纹针和短圆柱光针，对6 mm厚的6082-T6铝合金T型接头从内角角焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊接，并分析对应的焊缝产生的宏观缺陷。发现角接静轴肩搅拌摩擦焊容易在前进侧产生孔洞或沟槽缺陷。进一步分析发现，缺陷的产生受T接搅拌针和T接静轴肩的影响，在搅拌头周围，受T接静轴肩和T接搅拌针上部的影响，会形成搅拌针上部塑性流动区域，受搅拌针下部的影响，会形成搅拌针下部塑性流动区域.通过研究提出：搅拌针下部的孔洞缺陷可以通过采用螺纹的锥形搅拌针进行消除。而搅拌针上部的孔洞缺陷受到90°的T接静轴肩几何形状的影响流动能力较弱，通过倾角的改变可获得无缺陷的焊缝，并且对其缺陷形成机制的物理模型进行分析。
  
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  工具尺寸对铝-钢异种金属搅拌摩擦搭焊接头组织与性能的影响

  张敏, 相倩, 吕念春, 薛鹏, 倪丁瑞, 马宗义

  机械工程学报. 2020, 56(6): 200-205. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.200

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  铝合金与钢的异种连接是汽车轻量化制造的关键，然而采用传统的熔化焊工艺很难得到高质量焊缝。本文选用不同尺寸的焊接工具对1.2 mm厚的5182铝合金和DP1180高强钢进行搅拌摩擦搭焊。微观组织分析表明，在转速为800 r/min，焊接速度为50 mm/min的参数条件下，采用两种尺寸的工具均可得到无缺陷的接头，且小尺寸工具条件下接头生成明显的“Hook”缺陷，采用大尺寸工具时“Hook”缺陷显著弱化，此时铝和钢的反应充分，堆垛层状结构更为明显。由于堆垛层状结构中金属间化合物的存在，界面附近硬度波动较大，最高硬度可达641 HV，明显高于钢母材。采用小尺寸工具时，由于搭接面积较小，接头拉伸剪切性能较差，全部沿界面开裂；而采用大尺寸工具时，当铝合金位于前进侧的条件下接头性能优异，断裂于铝合金侧，最大剪切力高达3.42 kN，表明对铝-钢异种金属进行搅拌摩擦搭接可获得高质量的焊接效果。
  
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  高强铝合金FSW拼焊板变形规律与成形技术

  胡志力, 范新欣, 华林

  机械工程学报. 2020, 56(6): 206-212. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.206

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  铝合金拼焊成形技术兼具有材料和结构双重轻量化效果，在汽车轻量化发展趋势下，拥有巨大的应用前景。研究铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能，建立搅拌摩擦焊接头的有限元模型，试验结合力学计算研究搅拌摩擦焊接头的塑性变形规律。结果发现：铝合金搅拌摩擦焊接头具有明显的力学性能不均匀性，搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中热影响区最先发生屈服和颈缩；焊后热处理和高温成形可以显著提高拼焊板的成形性和力学性能。2024铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的最佳成形温度为450℃，固溶处理后接头未发现晶粒异常长大现象，热冲压时引入的变形与成形后的时效相结合，产生形变时效的强化效果，可获得高强度的汽车拼焊构件。
  
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  铝合金搅拌摩擦搭接焊温度-再结晶-析出相-力学性能一体化数值模拟

  张昭, 谭治军, 李健宇, 苑红磊, 刘伟嵬

  机械工程学报. 2020, 56(6): 213-220. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.213

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  采用移动热源模型计算铝合金搅拌摩擦搭接焊工艺过程的温度场，结合析出相演化模型计算焊接工艺过程中的析出相平均半径和体分比。通过析出相演化模型计算得到的析出相体分比与Monte Carlo模型结合，计算搅拌区内考虑析出相作用的再结晶行为，得到的晶粒形貌在有限元重构，用于晶体塑性力学计算模型，预测搅拌区内材料的力学性能，从而建立铝合金搅拌摩擦搭接焊温度-再结晶-析出相-力学性能的一体化计算模型，对所模拟的三种搭接焊工况进行同样工艺条件下的试验，通过试验和数值模型的对比验证了所提出的一体化计算模型的有效性。
  
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  含Sc高强铝合金薄板TIG焊与FSW接头组织与性能对比研究

  杨超, 王英君, 徐艳利, 蔡静, 于宝海, 倪丁瑞

  机械工程学报. 2020, 56(6): 221-228. https://doi.org/10.3901/JME.2020.06.221

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  分别对3 mm厚的Al-Zn-Mg-Cu-Sc高强铝合金薄板进行钨极惰性气体保护（Tungsten inert gas，TIG）焊与搅拌摩擦焊接（Friction stir welding，FSW），对比分析了两种焊接工艺下接头的微观组织与力学性能。结果表明：两种工艺都能获得无缺陷的接头。TIG焊核区晶粒粗大；硬度分布呈“M”形，中心值降至125 HV，最低值出现在热影响区（Heat-affected zone，HAZ）（约110 HV）；拉伸时样品断在HAZ，接头强度约为417 MPa，为母材的71%。FSW焊核区为等轴细晶；硬度分布呈典型“W”型，最低值亦出现在HAZ （约115 HV），且随焊速的提高而提高；在400～1 200 r/min下均有可能获得高强度接头，其中转速1 200 r/min、焊速200 mm/min下接头强度最高（458 MPa），为母材的79%，拉伸样品断在HAZ。当焊速过快时，由于合金变形能力差，焊核区易出现缺陷，导致拉伸时接头过早断裂于焊核区中心。