2016-2017焊接专刊

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本辑焊接虚拟专刊集合了2016~2017年在金属学报发表的30篇文章,内容涉及焊接领域材料的组织和力学性能、疲劳行为、抗氧化性能等,基本反映了近年来我国焊接研究领域的主要成果。欢迎阅读、引用和转发!

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1. MS X70酸性环境用管线钢焊接接头氢致开裂敏感性及氢捕获效率研究
赵小宇, 黄峰, 甘丽君, 胡骞, 刘静
金属学报    2017, 53 (12): 1579-1587.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00101
录用日期: 2017-08-16

摘要39)   HTML2)    PDF (4559KB)(469)   

对MS X70管线钢母材及其焊接接头氢致开裂(HIC)敏感性进行了评估,利用OM、FE-SEM和EBSD对其显微组织、HIC裂纹及周围的晶界结构进行了观察和分析,并通过计算渗透通量J和氢有效扩散系数Deff对母材及焊接接头的氢捕获效率进行了研究。结果表明,MS X70管线钢母材及其焊接接头的HIC敏感性均不能达到欧标要求,且焊接接头比母材具有更高的HIC敏感性。焊接接头的HIC敏感性较高主要归结于:以条状贝氏体为主的焊缝组织对H原子的捕获效率高于母材;焊接接头中较多的作为H通道的小角度晶界可通过提高大角度晶界氢捕获效率从而增加其裂纹敏感率;焊接接头中较少量低能重位点阵(CSL)晶界和Σ13b、Σ29b重位晶界降低了大角度晶界裂纹扩展抗力从而使其具有更高的HIC敏感性。

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2. 铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊接头组织与力学性能
刘奋军, 傅莉, 陈海燕
金属学报    2017, 53 (12): 1651-1658.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00025
录用日期: 2017-06-05

摘要51)   HTML5)    PDF (9228KB)(798)   

采用高转速微型搅拌摩擦焊接工艺实现了0.8 mm厚6061-T6铝合金薄板对接。利用OM、SEM、TEM及EBSD等测试技术探讨了高转速对接头微观组织及力学性能的影响规律。结果表明,高转速焊接6061-T6薄板时,焊缝表面成型良好,焊缝各区域组织呈连续均匀过渡。与常规搅拌摩擦焊相比,高转速工艺下,焊缝区β-Mg2Si、S相(Al2CuMg)和Al8Fe2Si析出相数量增多,特别是长条状β-Mg2Si数量增多,焊缝区显微硬度值明显提升;转速8000 r/min、焊速1500 mm/min条件下,接头最大抗拉强度高达301.8 MPa,是母材抗拉强度(351.7 MPa)的85.8%;转速对6061-T6铝合金超薄板高转速搅拌摩擦焊对接接头抗拉强度影响较小,接头断裂模式为脆性断裂为主的韧-脆混合断裂。

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3. 溅射Al对Si3N4润湿性的改善与钎焊
刘葛亮, 马冰洋, 尚海龙, 陈凡, 李荣斌, 李戈扬
金属学报    2017, 53 (12): 1645-1650.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00026
录用日期: 2017-05-15

摘要36)   HTML2)    PDF (5227KB)(495)   

采用溅射Al和Al-Ni薄膜作为钎料的方法,研究了溅射Al对Si3N4的润湿作用,实现了铝基薄膜钎料对Si3N4陶瓷的直接钎焊。结果表明,Al直接溅射在Si3N4表面所获得的各钎焊接头钎缝致密饱满,与陶瓷形成无反应过渡层的良好冶金结合,纯Al钎焊接头的剪切强度为106 MPa,Al-1.0%Ni亚共晶钎焊接头的强度提高到148 MPa,Al-3.0%Ni接头的强度因钎缝形成共晶组织而略有降低,为132 MPa,这些接头的剪切断裂均产生于钎缝之中。采用首先溅射Ni薄膜作为底层的Al-1.0%Ni薄膜钎料进行了对比,这种钎料得到的钎焊接头断裂产生于钎缝与陶瓷的界面,强度也仅为81 MPa。这表明,高能量溅射Al粒子直接撞击对Si3N4具有“润湿”作用,使得Al和Al-Ni合金薄膜熔化后即可实现对Si3N4的钎焊。

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4. 多重热循环和约束条件对P92钢焊接残余应力的影响
邓德安, 任森栋, 李索, 张彦斌
金属学报    2017, 53 (11): 1532-1540.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00007
录用日期: 2017-06-14

摘要46)   HTML4)    PDF (2765KB)(601)   

系统地研究了在经受多重热循环的作用下,P92钢板中焊接残余应力的演化过程与形成机理。基于SYSWELD有限元软件,开发了计及“热-冶金-力学”耦合的计算方法,数值模拟了Satoh试验和2道重熔平板接头的应力场。在数值模拟中,详细考虑了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性对残余应力形成过程的影响。同时,采用了盲孔(HD)法和X射线衍射(XRD)法测量了P92钢两道非熔化极气体保护焊(TIG)重熔的平板接头残余应力分布。计算结果和实验结果表明2者吻合较好,验证了所采用的计算方法的有效性和准确性。模拟结果表明,P92钢两道重熔平板接头的纵向残余应力呈现出清晰的拉-压相间分布形态。每道焊缝及其热影响区(HAZ)的纵向残余应力为压应力,HAZ外侧附近产生了较大的纵向拉应力。此外,还采用数值模拟方法探究了横向拘束对焊接残余应力的影响,数值模拟结果表明,横向约束可以明显降低横向残余应力,特别是焊缝端部的应力峰值。

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5. 大热输入焊接用钢的焊接粗晶热影响区韧性提升方法研究
邹宗园, 许小奎, 李银潇, 王超
金属学报    2017, 53 (8): 957-967.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00551
录用日期: 2017-05-16

摘要56)   HTML4)    PDF (2131KB)(854)   

通过研究焊接热影响区(HAZ)冲击功分布图,提出大热输入焊接用钢焊接粗晶热影响区(CGHAZ)韧性提升的新方法,即在峰值温度不变的条件下,将焊接CGHAZ中晶界铁素体(GBF)和大量针状铁素体(AF)组织改变成细晶热影响区(FGHAZ)多边形铁素体(PF)组织,并消除CGHAZ中破坏韧性的侧板条铁素体(FSP)组织。以对比Ti-V-N与Al-Ti-V-N微合金焊接用钢焊接CGHAZ组织和韧性为基础,探讨了Al-Ti-V-N钢焊接CGHAZ中PF转变条件、形核机制,认为微米级氧化夹杂物是诱导焊接CGHAZ中大量PF形核的关键,纳米级碳氮化物是拖曳、钉扎奥氏体与铁素体晶界的关键,两者的有效配合保证了焊接CGHAZ中大量PF组织生成,从而大幅提升焊接CGHAZ的低温冲击韧性。

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6. 马氏体相变对9%Cr热强钢管道多道焊接头残余应力演化的影响
王学,胡磊,陈东旭,孙松涛,李立全
金属学报    2017, 53 (7): 888-896.   doi:10.11900/0412.1961.2017.00034
录用日期: 2017-04-19

摘要56)   HTML0)    PDF (1451KB)(452)   

使用有限元软件Abaqus计算了考虑马氏体相变影响时9%Cr钢管道多道接头中的应力演化过程,并分析了马氏体相变在应力演化中的作用。结果表明,在管道纵截面上,环向和轴向残余应力的分布相似,但环向残余应力较大。环向和轴向残余压应力的最大值均出现在末道焊缝及热影响区,残余拉应力的最大值则出现在管道中部的焊缝及热影响区,而管道内壁附近的残余应力较低。在末道焊缝附近,发生在较低温度下的马氏体相变不仅抵消了焊缝和热影响区热收缩所形成的拉应力,并且形成了显著的压应力,但马氏体相变并没有消除次表层焊缝显著的残余拉应力。末道焊道对多道焊接头残余应力的影响最大,其原因是马氏体相变虽然在先焊焊缝中形成了很高的压应力,但后续焊道的焊接热循环会显著降低该压应力,使最终结果表现为马氏体相变只显著地降低了末道焊缝及其热影响区内的拉应力,并形成了显著的压应力。马氏体相变对管道外壁附近残余应力的影响较大,而对管道内壁附近残余应力的影响较小。

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7. 焊前混合表面纳米化对2A14铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响
杨建海,张玉祥,葛利玲,程晓,陈家照,高杨
金属学报    2017, 53 (7): 842-850.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00421
录用日期: 2017-04-19

摘要36)   HTML0)    PDF (1423KB)(483)   

采用超音速微粒轰击(SFPB)和表面机械滚压处理(SMRT)相结合的混合表面纳米化(HSNC)方法在2A14铝合金表面制备出梯度纳米结构(GNS)表层,之后进行了搅拌摩擦焊(FSW)。利用OM、SEM和TEM对比研究了HSNC样品和原始样品FSW焊缝的微观组织和断裂形貌。结果表明,GNS表层以类似“S”线复杂形式分布在HSNC样品的热机影响区(TMAZ)和焊核区(NZ)中,形成了纳米层区(NLZ);原始样品显微硬度最低处和断裂位置均发生在前进侧的TMAZ,HSNC样品显微硬度最低处和断裂位置均发生在NZ;HSNC样品的抗拉强度比原始样品提高了6.4%,延伸率比原始样品提高了14.1%,两者的断裂方式均为韧性断裂,但原始样品断口形貌为非等轴韧窝和撕裂韧窝,HSNC样品断口形貌为等轴韧窝。分析表明,由于纳米晶的优异性能,NLZ在提高焊缝强度的同时提高了塑性变形能力。

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8. 焊接热循环对Q315NS钢在H2SO4溶液中腐蚀行为的影响
张苏强,赵洪运,舒凤远,王国栋,贺文雄
金属学报    2017, 53 (7): 808-816.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00575
录用日期: 2017-04-19

摘要49)   HTML1)    PDF (1964KB)(447)   

采用焊接热模拟技术和电化学测试技术,研究了Q315NS钢焊接热影响区组织转变规律及焊接热循环对其腐蚀行为的影响。结果表明,Q315NS钢母材、细晶区和混晶区微观组织均由铁素体和珠光体组成,粗晶区主要由粗大的粒状贝氏体组成。在质量分数为50%的H2SO4溶液中,母材和热影响区的等效电路中均包含一个电荷转移电阻和一个由双电层产生的常相位角元件,且均产生了钝化行为。母材和混晶区的电荷转移电阻最大,腐蚀电流密度最小,耐腐蚀性能最好;粗晶区电荷转移电阻最小,腐蚀电流密度最大,耐腐蚀性能最差。腐蚀72 h后,母材、细晶区和混晶区表面生成的腐蚀产物均呈多孔状结构,而粗晶区表面生成的腐蚀产物为短棒状结构。2种结构的腐蚀产物均主要为Fe的硫酸盐,并含有Cu、Sb的氧化物及少量Si。

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9. FB2马氏体耐热钢在焊接热作用下奥氏体相变过程研究
李克俭,蔡志鹏,吴瑶,潘际銮
金属学报    2017, 53 (7): 778-788.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00521
录用日期: 2017-02-27

摘要42)   HTML2)    PDF (2171KB)(514)   

借助光学显微镜、扫描电镜分析对比了FB2马氏体耐热钢在焊接热模拟前后的组织状态,认为FB2钢在快速加热条件(≥100 ℃/s)下的奥氏体相变是切变型的,表现出奥氏体记忆效应;而在慢速加热条件(≤5 ℃/s)下其奥氏体相变是扩散型的,该过程是受原子短程扩散控制的,并且无奥氏体记忆效应发生。FB2钢在焊接过程中特殊的相变过程是其焊接热影响区呈现出“无粗晶区”的主要原因。结合已有的文献报道,初步提出了B元素改变FB2钢在加热过程中奥氏体相变类型的机理模型,进一步发展了现有的研究结果。

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10. Al-Si-Ge钎料钎焊Cu/Al接头组织与性能研究
牛志伟,叶政,刘凯凯,黄继华,陈树海,赵兴科
金属学报    2017, 53 (6): 719-725.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00342
录用日期: 2017-02-23

摘要44)   HTML0)    PDF (5395KB)(839)   

首次采用Al-5.6Si-25.2Ge钎料对Cu/Al异种金属进行了炉中钎焊,分别从钎料的熔化特性、铺展润湿性、Cu侧界面组织以及钎焊接头强度等方面进行了系统研究,并与Zn-22Al钎料钎焊结果进行对比。结果表明,Al-5.6Si-25.2Ge钎料具有较低的熔化温度(约541 ℃),同时在Cu、Al母材上均具有良好的铺展润湿性。Al-5.6Si-25.2Ge/Cu界面由CuAl2/CuAl/Cu3Al2三层化合物组成,其中CuAl和Cu3Al2呈层状,厚度较薄,仅为1~2 μm;CuAl2呈胞状,平均厚度约为3 μm。Zn-22Al/Cu界面结构为CuAl2/CuAl/Cu9Al4,其中CuAl2层平均厚度高达15 μm。接头抗剪切强度测试结果表明,Zn-22Al钎料钎焊Cu/Al接头抗剪切强度仅为42.7 MPa,而Al-5.6Si-25.2Ge钎料钎焊Cu/Al接头具有更高的抗剪切强度,为53.4 MPa。

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11. 变极性等离子弧焊电弧物理特性的数值模拟
陈树君,徐斌,蒋凡
金属学报    2017, 53 (5): 631-640.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00263
录用日期: 2017-03-10

摘要50)   HTML20)    PDF (3720KB)(667)   

基于磁流体动力学及Maxwell方程组,建立了变极性等离子电弧的三维瞬态计算模型,依据变极性等离子弧焊对铝合金板材穿孔焊接过程的物理特性,提出了随电弧极性变化的分时导电模型,通过计算得到了变极性等离子电弧的温度场、流场、电流密度和电弧压力的分布情况,以及电弧压力随时间的变化过程。通过实验测量了工件表面电弧中心压力,得到了不同极性时的电弧形态。结果表明:相同电流条件下,正极性时电弧温度场分布比反极性时更加分散,但正极性时电弧最高温度范围小于反极性时;反极性电弧压力和电流密度在电弧中心处均大于正极性,在径向距电弧中心一定距离处,2种极性时的电弧压力和电流密度的大小出现反转;电弧压力对焊接电流响应迅速,正极性电弧压力小于反极性电弧压力,焊接电流过零时,电弧压力会降低到较低的值,电流增加时电弧压力变化存在“过冲”现象;对实验与计算得到的变极性等离子电弧正反极性时电弧图像和工件表面电弧中心压力进行了对比,结果吻合良好。

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12. 焊接温度对碳钢/奥氏体不锈钢扩散焊接头界面组织及性能的影响
王大伟,修世超
金属学报    2017, 53 (5): 567-574.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00307
录用日期: 2017-02-22

摘要74)   HTML10)    PDF (6361KB)(1144)   

采用真空扩散焊接方法对Q235A低碳钢与AISI304奥氏体不锈钢进行固相扩散连接实验,研究了焊接温度对接头界面组织、力学性能和反应产物的影响。结果表明:Q235A低碳钢/AISI304奥氏体不锈钢复合界面附近形成了合金铁素体层(II区)和增C层(III区),界面两侧异相组织通过扩散结成共用晶界。在焊接温度850 ℃,焊接压力10 MPa,焊接时间60 min条件下,接头强度和韧性达到最大值,高于Q235A低碳钢母材。焊接温度过低(≤800 ℃),接头中析出碳化物Cr23C6,焊接温度过高(≥900 ℃),接头中会产生二次碳化物和金属间化合物,脆性的化合物偏析相使接头强韧性显著下降。严格控制焊接温度在850 ℃区间,并在焊后迅速淬火越过低温区,可有效避免脆性化合物偏析,从而保证扩散焊接头的性能。

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13. Cu/Sn/Cu超声-TLP接头的显微组织与力学性能
刘积厚,赵洪运,李卓霖,宋晓国,董红杰,赵一璇,冯吉才
金属学报    2017, 53 (2): 227-232.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00232
录用日期: 2016-11-23

摘要52)   HTML4)    PDF (3447KB)(518)   

利用超声波辅助过渡液相(超声-TLP)软钎焊工艺方法对Cu/Sn/Cu结构进行了钎焊实验,在极短的时间内获得了全Cu-Sn金属间化合物接头,并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明,超声-TLP接头由15 μm厚的Cu6Sn5中间层和1 μm厚的Cu3Sn边界层构成。在超声波作用下,Cu6Sn5晶粒呈现小尺寸等轴状,80%的Cu6Sn5晶粒直径在5 μm以下。由细化的Cu6Sn5晶粒构成的接头表现出较均匀的力学性能,具有较稳定的弹性模量和硬度,分别为123 GPa和6.0 GPa;同时具有较高的互连强度,达到了60 MPa。

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14. 基于二次多项式新本构模型的铝合金搅拌摩擦焊板材成形极限研究
初冠南,林艳丽,宋伟宁,张林
金属学报    2017, 53 (1): 114-122.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00178
录用日期: 2016-11-09

摘要45)   HTML7)    PDF (3175KB)(308)   

针对铝合金焊缝性能低于母材、现有成形极限分析方法不适宜分析铝合金搅拌摩擦焊板材成形极限的现状,提出了一种基于二次多项式新本构模型的铝合金拼焊板成形极限理论模型。核心思想为利用材料自身的性能差异替代经典M-K理论模型的沟槽假设。针对铝合金硬化指数低、幂指数回归精度差的问题,将二次多项式新本构模型应用于M-K理论模型,最终建立了适合于铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的成形极限理论预测模型。对铝合金搅拌摩擦焊板材进行了成形极限实验,并通过XJTUDIC三维数字散斑应变变形测量系统实时测量变形过程中的应变值,得到了铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的实验成形极限图。最后对实验结果和理论分析结果进行了对比。相比传统的幂指数本构模型,二次多项式对应力-应变曲线的回归,无论在初试屈服阶段或后期变形阶段均有很好的吻合精度。幂指数最大拟合误差超过12%,而二次多项式的拟合误差小于1%,二次多项式回归模型能很好地拟合铝合金搅拌摩擦焊接接头的应力-应变关系;采用二次多项式本构关系的理论模型能很好地预测铝合金搅拌摩擦焊板材的成形极限,第一主应变的预测误差小于0.01;而幂指数理论模型则导致平面应变状态下的极限应变预测结果明显不准,在相同应变路径下第一主应变的预测误差达0.14。

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15. e蒸气对等离子弧焊接熔池行为的影响*
菅晓霞,武传松
金属学报    2016, 52 (11): 1467-1476.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00008
录用日期: 2016-08-17

摘要41)   HTML0)    PDF (2775KB)(332)   

建立了包含Fe蒸气影响的等离子弧焊接一体化模型, 其计算区域包含W极、等离子弧、熔池和小孔, 通过在整个区域使用统一的控制方程实现各区域的自适应耦合. 使用黏性近似法处理Fe蒸气的扩散系数. 模拟了焊接电流分别为150, 170和190A时, 3种工艺条件下的穿孔过程中, Fe蒸气在阳极液态金属表面的产生、扩散及其在等离子弧中的聚集过程. 对比分析了Fe蒸气对等离子弧的温度场、电场和熔池形态的实时影响. 结果表明, Fe蒸气的产生决定于液态熔池温度分布. 在等离子流力的作用下, Fe蒸气聚集在等离子弧的边缘区域, 导致该区域的辐射损失增加、电流密度降低. 而弧柱中心区域受Fe蒸气的影响较小. 与不考虑Fe蒸气影响的等离子弧焊接模型相比, 考虑Fe蒸气影响时计算出的焊缝尺寸与实验测试值更接近.

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16. 双轴肩搅拌摩擦焊对6061-T6铝合金表面组织及其在3.5%NaCl中腐蚀行为的影响*
乔岩欣,周洋,陈书锦,宋亓宁
金属学报    2016, 52 (11): 1395-1402.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00026
录用日期: 2016-08-18

摘要42)   HTML1)    PDF (1356KB)(904)   

采用双轴肩搅拌摩擦焊(BTFSW)技术对7.8 mm厚6061-T6铝合金进行了焊接, 对焊接接头各部分的微观组织和截面显微硬度进行了分析, 并对母材和焊核在3.5%NaCl溶液中的腐蚀电化学行为和腐蚀产物膜进行了研究. 结果表明, BTFSW后焊缝表面质量良好, 热-机影响区晶粒发生再结晶和塑性变形, 部分再结晶晶粒发生了伸长和弯曲; 热影响区的部分晶粒在热循环的作用下发生粗化, 焊核呈细小的等轴晶组织; 焊接接头中前进侧热-机影响区硬度最低; 在3.5%NaCl溶液中, 6061-T6铝合金的极化曲线表现为阳极溶解和点蚀, 母材和焊核区的电化学阻抗谱均由容抗弧和感抗弧组成, BTFSW后6061铝合金的腐蚀电流降低; 浸泡480 h后, 呈疖状腐蚀的特征, 腐蚀产物为Al(OH)3和Al2O3. BTFSW可提高6061-T6铝合金的耐蚀性.

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17. 铝合金/不锈钢双光束激光深熔焊接接头组织及力学性能*
潘峰,崔丽,钱伟,贺定勇,魏世忠
金属学报    2016, 52 (11): 1388-1394.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00077
录用日期: 2016-06-21

摘要47)   HTML1)    PDF (1098KB)(895)   

采用双光束光纤激光热源对1.5 mm厚5083铝合金和1.8 mm厚304不锈钢异种合金搭接接头进行了激光深熔焊接工艺实验, 研究了光束相对位置对接头焊缝成形、界面组织及接头力学性能的影响. 结果表明, 在无任何填充材料条件下, 采用双光束激光进行铝合金/不锈钢异种合金激光深熔焊接能够获得良好的焊缝表面成形, 小能量分光束在前的接头界面金属间化合物(IMC)厚度相对较薄. 接头界面纳米硬度测试结果表明, IMC层平均硬度为9.61 GPa, 且明显高于不锈钢母材(4.12 GPa)和铝合金母材(1.09 GPa). 接头拉伸断裂于铝合金/不锈钢IMC界面层. 小能量分光束在前的接头获得机械抗力大于分光束在后的接头.

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18. 搅拌摩擦焊接与加工研究进展*
薛鹏, 张星星, 吴利辉, 马宗义
金属学报    2016, 52 (10): 1222-1238.   doi:10.11900/0412.1961.2016.00346
录用日期: 2016-08-30

摘要59)   HTML1)    PDF (10599KB)(1050)   

本文结合本研究组的研究结果, 简述了异种材料、高熔点材料、铝基复合材料的焊接, 以及温度场模拟、复合材料/超细晶材料制备等搅拌摩擦焊接与加工领域几个热点问题的研究进展. 分别对影响异种金属材料焊接的关键因素与界面结合机理, 高熔点材料(钢、钛合金)焊接过程中的组织演变及焊接工具的发展, 铝基复合材料接头组织性能与工具磨损, 温度场热源模型及温度场的影响因素与变化规律, 搅拌摩擦加工复合材料及超细晶材料的组织特点及性能等内容进行了总结与评述. 同时, 对未来相关领域的研究方向进行了展望.

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19. X100管线钢焊接热影响区中链状M-A组元对冲击韧性和断裂机制的影响*
李学达,尚成嘉,韩昌柴,范玉然,孙建波
金属学报    2016, 52 (9): 1025-1035.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00610
录用日期: 2016-04-12

摘要56)   HTML4)    PDF (2200KB)(842)   

利用示波冲击试验机对X100管线钢直缝埋弧焊实际焊接接头热影响区不同位置处的冲击韧性进行了测试. 结果表明, 当缺口穿过不完全重结晶粗晶区(ICCGHAZ)时冲击韧性很低(平均为51 J), 而当缺口不穿过ICCGHAZ时冲击韧性则高达183 J. 还利用Gleeble热模拟试验机对热影响区不同区域的组织进行了模拟, 得到均一组织的粗晶区(CGHAZ), 细晶区(FGHAZ)和不完全重结晶区(ICHAZ)的冲击韧性较高, 平均分别为244, 164和196 J, 而ICCGHAZ的冲击韧性只有32 J. 因此, ICCGHAZ是导致冲击韧性骤降的主要原因. ICCGHAZ由粗大的原奥氏体晶粒及沿晶界呈链状分布的马氏体-奥氏体(M-A)组元构成, 晶粒内部为粗大的粒状贝氏体或者上贝氏体. 断口分析表明, ICCGHAZ是整个断面的起裂源, 且裂纹扩展过程中M-A组元易成为解理刻面的起裂源. 示波冲击结果显示, ICCGHAZ的存在使得起裂功显著降低. 对断口下方二次裂纹的研究表明, CGHAZ处的断裂机制为形核控制型, 而在ICCGHAZ处则为扩展控制型. 因此, ICCGHAZ中链状M-A组元的存在是导致热影响区韧性恶化的根本原因, 并且使得断裂行为和断裂机制发生显著变化.

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20. TA1/X65复合板焊接工艺及焊缝组织和性能研究*
毕宗岳,杨军,刘海璋,张万鹏,杨耀彬,田磊,黄晓江
金属学报    2016, 52 (8): 1017-1024.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00615
录用日期: 2016-04-21

摘要38)   HTML1)    PDF (1258KB)(618)   

采用TIG+MIG+MAG焊接工艺对TA1/ X65爆炸冶金复合板(复层Ti厚2 mm, 基层X65管线钢厚14 mm)试件进行了以V/Cu作为过渡填充金属的板-板对接焊实验. 利用OM, XRD, EDS面扫描, 显微硬度测试和拉伸实验, 研究了焊缝区组织特征、界面元素分布、主要物相、显微硬度分布及焊缝力学性能. 结果表明, 圆弧状“U”型坡口设计有利于过渡层Cu的MIG焊接, 在Cu-钢界面不会引起应力集中而萌生裂纹. 熔敷金属Ti, V, Cu和Fe有明显分区, 扩散互融现象不明显, 各区域间由固溶体相过渡连接, Ti/V过渡界面组织结构为钛基固溶体, V/Cu过渡界面组织结构为钒基固溶体, Cu/Fe过渡界面组织结构为铜基固溶体. 焊缝硬度较高区域出现在Ti/V过渡界面和V/Cu过渡界面处, 硬度达326和336 HV10, 对过渡界面层塑韧性有一定影响. 焊缝抗拉强度可达546 MPa, 主要由碳钢层贡献.

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21. 热输入量对一种新型药芯焊丝熔敷金属组织及冲击韧性的影响*
宋峰雨,李艳梅,王平,朱伏先
金属学报    2016, 52 (7): 890-896.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00584
录用日期: 2016-04-07

摘要34)   HTML0)    PDF (1406KB)(563)   

采用自行研究开发的一种新型药芯焊丝, 通过实验室大热输入焊接实验, 研究分析了热输入量对焊缝熔敷金属组织与冲击韧性的影响规律. 结果表明: 在大热输入焊接条件下, 熔敷金属中形成了大量细小、弥散分布的夹杂物, 夹杂物周围诱导生成的大量相互交叉互锁的针状铁素体晶粒, 这是焊缝熔敷金属具有较高低温冲击韧性的主要原因; 随着焊接热输入量的增加, 尺寸为1 μm以下的夹杂物数量减少, 1 μm以上夹杂物分布无显著变化, 针状铁素体形核点减少, 熔敷金属中针状铁素体晶粒尺寸略有增加、低温冲击韧性略有降低.

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22. DD5单晶高温合金大间隙钎焊的组织演变与界面形成机制*
孙元,刘纪德,侯星宇,王广磊,杨金侠,金涛,周亦胄
金属学报    2016, 52 (7): 875-882.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00622
录用日期: 2016-04-29

摘要43)   HTML2)    PDF (1174KB)(512)   

采用新型Ni-Co-Cr-W-B+DD99混合粉末钎料焊接DD5单晶高温合金, 分析钎料成分对接头显微组织演变和接头力学性能的影响, 探讨Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面形成机制与接头形成机理. 结果表明, 在钎焊过程中, Ni-Co-Cr-W-B钎料/DD99合金粉的界面上首先形成了γ-Ni初生相, B偏析并析出细小颗粒状的M3B2 型硼化物, 在冷却过程中残余液相形成块状M3B2相、γ+γ′共晶相和γ-Ni+Ni3B+CrB共晶相. 提高混合粉末钎料中DD99合金粉的配比, 可有效抑制焊缝中的硼化物和低熔点共晶相的形成, 提高焊缝成分和组织均匀性. 当DD99合金粉的配比增加至70% (质量分数)时, B可均匀扩散至DD5母材和DD99合金粉中, 未观察到低熔点共晶相, 界面处脆性化合物相显著减少, 接头高温性能提高. 接头经过固溶处理和时效处理后, 在870 ℃的高温拉伸性能可提高至1010 MPa.

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23. TC17钛合金电子束焊接接头的显微组织与力学性能研究*
于冰冰,陈志勇,赵子博,刘建荣,王清江,李晋炜
金属学报    2016, 52 (7): 831-841.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00602
录用日期: 2016-05-04

摘要41)   HTML1)    PDF (1470KB)(683)   

研究了TC17钛合金电子束焊接接头的显微组织与力学性能. 研究表明, 焊接接头由熔合区(FZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)组成. 焊态下, FZ由β柱状晶组成, HAZ由针状α/α'相、等轴α相和亚稳态β相组成. 在630~800 ℃范围焊后热处理后, FZ和HAZ中的亚稳态β相分解, 生成α相和β相, 随着焊后热处理温度的升高, FZ和HAZ中的α相板条厚度增加, 晶界α相发生粗化. 焊态和800 ℃, 2 h, A.C.焊后热处理条件下, FZ在450 ℃高温拉伸过程中会析出次生α相板条, 导致熔合区抗拉强度升高, 屈强比降低. 焊接接头的拉伸断裂优先发生于屈服强度低的区域, 接头各区域屈服强度相差不大时, 最终断裂发生在硬度较低的区域. TC17钛合金电子束焊接接头的最佳焊后热处理制度为630 ℃, 2 h, A.C., 此时焊接接头具有良好的拉伸强度和塑性匹配.

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24. Q460钢焊接接头组织及动态断裂行为的研究*
冯祥利,王磊,刘杨
金属学报    2016, 52 (7): 787-796.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00617
录用日期: 2016-03-25

摘要41)   HTML5)    PDF (1613KB)(500)   

通过调整焊接热输入研究了Q460低合金高强钢CO2气体保护药芯焊接接头的组织及其对不同温度下动态断裂韧性(JId)的影响规律, 探究了影响接头动态断裂行为的机理. 结果表明, 低热焊接输入的接头熔合区(FZ)柱状晶界面处存在仿晶界型铁素体; 随热输入增加, FZ柱状晶形态特征逐渐减弱、仿晶界铁素体消失, FZ以针状铁素体组织为主, 且随热输入的增加针状铁素体平均尺寸增大. 在室温至-70 ℃范围内, 中等热输入的焊接接头均表现出优异的动态断裂韧性, 而低热输入的接头动态断裂韧性值最低. 随温度由室温降低至-70 ℃, Q460钢焊接接头动态断裂机制发生了由延性断裂逐渐向解理脆性断裂的转变. 低热输入焊接接头FZ柱状晶界面具有平面生长特征的仿晶界铁素体, 易诱发低温下裂纹沿晶快速扩展. 研究发现, 在低温动态断裂过程中, 细小针状铁素体组织由于可有效地阻碍裂纹扩展, 成为其维持高动态断裂韧性的要因.

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25. 石墨/紫铜间接钎焊接头的界面组织及力学性能*
付伟,宋晓国,龙隆,柴鉴航,冯吉才,王国栋
金属学报    2016, 52 (6): 734-740.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00502
录用日期: 2016-04-06

摘要33)   HTML1)    PDF (807KB)(359)   

在950 ℃, 30 min条件下, 采用含活性元素Ti的Sn0.3Ag0.7Cu-xTi (x=1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 质量分数, %)金属粉末对石墨进行反应金属化, 然后用Sn0.3Ag0.7Cu钎料在真空条件下实现了紫铜和石墨的间接钎焊. 钎焊接头的典型界面结构为: 紫铜/Cu3Sn/Cu6Sn5/β-Sn/TiC/石墨. 在反应金属化过程中金属化粉末中的Ti起到重要作用, 而Ti含量对钎焊接头的界面组织和抗剪强度没有影响. 随着钎焊温度升高, 紫铜中越来越多的Cu溶解到液相钎料中反应生成Cu-Sn化合物, 接头的抗剪强度有一定程度的提高. 断口分析表明: 接头主要在β-Sn层中断裂, 并呈现韧性断裂. 当Cu-Sn化合物充满整个钎缝(600 ℃), 接头强度大幅提高, 达到30 MPa, 接头在石墨母材完全断裂.

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26. Mn/Ni/Mo配比对K65管线钢焊缝金属组织与力学性能的影响*
王学林,董利明,杨玮玮,张宇,王学敏,尚成嘉
金属学报    2016, 52 (6): 649-660.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00453
摘要35)   HTML4)    PDF (2709KB)(503)   

以Mn-Ni-Mo-Ti-B为主要合金系, 研制出适用于低温服役环境下的高强高韧管线钢埋弧焊丝, 并应用于30.8 mm厚K65管线钢现场焊接实验. 结果表明, 焊缝金属屈服强度达到583~689 MPa, 抗拉强度达到714~768 MPa, -40 ℃冲击功均在90 J以上, 焊缝具有优异的强韧性匹配. 焊丝直径为4.0 mm, 适用于四丝双面埋弧焊, 效率高, 且热影响区(HAZ) 低温韧性优异(-40 ℃冲击功>100 J). 采用OM, TEM和LePera方法对焊缝金属组织的观察表明, 焊缝组织主要为精细的针状铁素体、少量的先共析晶界铁素体、侧板条铁素体和弥散分布的细小马氏体/奥氏体(M/A) 岛状颗粒. 焊缝金属中0.2%Mo可以有效抑制先共析晶界铁素体及侧板条铁素体的生成, 晶粒细化作用显著. Mn和Ni的适量增加会促进针状铁素体的形成, 显著提高焊缝金属低温韧性. 但Mn, Ni配比不当而超过某个范围时将会导致马氏体或其它低温相变产物形成, 削弱低温韧性. 当K65焊缝金属中含(1.5%~2.0%)Mn, (0.9%~1.2%)Ni, (0.2%~0.25%)Mo时, 可以使其具有高强度的同时低温冲击韧性优异, 且在Mn与Ni配比含量不越过马氏体形成线(Ms线)的前提下, 可以采用加Mn减Ni的方法配比其合金含量.

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27. 固态相变对P92钢焊接接头残余应力的影响*
邓德安,张彦斌,李索,童彦刚
金属学报    2016, 52 (4): 394-402.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00371
摘要65)   HTML1)    PDF (1088KB)(512)   

采用光学显微镜、显微硬度仪和盲孔法研究了P92钢平板焊接接头的微观组织、显微硬度和表面残余应力分布. 同时, 基于SYSWELD软件开发了考虑材料固态相变的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法, 并采用该方法模拟了P92钢的Satoh试验和单道堆焊接头的温度场及应力场分布, 探讨了固态相变引起的体积变化、屈服强度变化和相变塑性(TRIP)对焊接残余应力形成过程及最终残余应力分布的影响. 实验结果表明, P92钢平板焊接接头焊缝组织为淬火马氏体, 其平均显微硬度为440 HV, 母材(BM)组织为回火马氏体, 其显微硬度为240 HV. Satoh试验的数值模拟表明, 固态相变引起的体积变化和屈服强度变化不仅对残余应力的形成过程及最终应力的分布和峰值大小有显著影响, 甚至可以改变应力的符号; 而TRIP效应则具有减缓因体积膨胀和屈服强度变化所引起应力变化趋势的作用. 进一步的计算结果表明, P92钢堆焊接头焊缝和热影响区(HAZ)的纵向残余应力为压应力, 而靠近HAZ的BM上存在较大的纵向拉应力, 峰值为600 MPa, 该值超过了P92钢的室温屈服强度; 整个焊接接头的横向残余应力峰值为130 MPa, 远小于其纵向残余应力的峰值. 数值计算结果与盲孔法测量得到的结果比较吻合, 表明了所开发的热-冶金-力学耦合的有限元计算方法有较高的计算精度.

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28. Sn3.5Ag0.5Cu纳米颗粒钎料制备及钎焊机理*
江智,田艳红,丁苏
金属学报    2016, 52 (1): 105-112.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00263
录用日期: 2015-11-13

摘要34)   HTML4)    PDF (7176KB)(345)   

采用液相法在室温下合成了直径为10 nm以下的Sn3.5Ag0.5Cu纳米颗粒, 并采用SEM, TEM, XRD及EDS表征其形貌、结构、物相及元素组成特征, 研究了不同温度和时间烧结时纳米颗粒的尺寸变化, 测试了经过不同压力钎焊后的Cu/纳米钎料/Cu的三明治结构的剪切强度. 结果表明: 10 nm以下的纳米钎料颗粒呈现颈缩团聚的趋势; 烧结温度越高, 纳米颗粒的颈缩团聚越明显, 整个过程发生越迅速; 在230 ℃可以实现钎焊, 低于传统微米尺度的Sn3.5Ag0.5Cu钎料的温度(250 ℃左右), 且钎焊界面强度受钎焊压力影响较大, 当压力为10 N时, 三明治结构的剪切强度达到最大, 为14.2 MPa. 钎焊键合过程为首先通过纳米颗粒颈缩团聚减少气孔, 随着温度的升高, 熔化的钎料与固态母材之间的溶解扩散过程形成牢固的冶金连接.

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29. 高压环境下CMT焊接电弧行为及焊缝性能*
黄继强,薛龙,黄军芬,邹勇,牛虎理,唐德渝
金属学报    2016, 52 (1): 93-99.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00204
录用日期: 2015-10-09

摘要25)   HTML3)    PDF (6426KB)(322)   

采用CMT焊接方法, 在模拟水下高压环境的实验系统中分别进行了常压环境下(0.1 MPa)和环境压力为0.5 MPa下的焊接实验, 实验中采用API X65管线钢接头为研究对象. 焊接过程中采用高速摄像观察焊接电弧行为, 2种环境压力下焊接过程均稳定, 但与常压环境相比较, 0.5 MPa环境压力下的CMT焊接电弧产生收缩, 熔滴过渡频次降低. 焊后对焊缝分别取样进行力学性能检测和金相组织观察, 高压环境下焊缝及热影响区的金相组织因为环境冷却作用增强而出现上贝氏体组织, 拉伸性能没有明显变化, 低温冲击韧性下降, 但测试数据也远高于相关标准要求. 结果表明, CMT焊接方法改善了高压焊接过程的稳定性, 满足水下高压干式焊接作业要求.

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30. 2219-T8铝合金搅拌摩擦焊接头力学和应力腐蚀性能薄弱区研究*
康举,李吉超,冯志操,邹贵生,王国庆,吴爱萍
金属学报    2016, 52 (1): 60-70.   doi:10.11900/0412.1961.2015.00201
摘要52)   HTML4)    PDF (8969KB)(171)   

对2219-T8铝合金搅拌摩擦焊 (FSW) 接头在拉伸过程中, 热机械影响区(TMAZ)的变形行为、断裂途径和190 MPa下微区电化学性能进行了研究. 结果表明, 焊接热循环和搅拌作用加权强化效果最弱的区域是强度最差的位置; 拉伸时接头变形主要发生在TMAZ, 但由于受到焊核区的拘束程度不同, TMAZ下层应变更大, 导致裂纹起源于下层; 在相同的应力水平下, TMAZ表面的钝化膜更易破裂, 甚至会有微裂纹出现, 这使得当接头处于应力腐蚀环境中时, TMAZ更易发生局部腐蚀, 导致接头的抗应力腐蚀能力下降.

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