Welding & Joining

[Objective]The purpose is to study influence of welding process parameters on properties of spot welded joints of hot forming steel.[Methods]The orthogonal test is performed for 22MnB5 press-hardened steel.[Results]The order of priority affecting the mechanical properties of spot weld is welding current,electrode pressure and welding time under the condition of single pulse welding process.The best mechanical properties of the welded joint and the good welding quality can be gotten with the best welding parameters,welding current of 8.5 kA,welding time of 525 ms,and electrode pressure of 4 kN.[Conclusion]The press-hardened steel welded joint consists of the BM area,the tempering area,the softening area,the critical area and the nugget area.There is a serious stress concentration at the welding point joint line(nugget zone),which is a dangerous area for the failure of press-hardened steel welding joints.The last pulse small heat input can significantly reduce the stress concentration of the welding joint and improve the mechanical properties of the joint by using multiple pulse welding.

In this investigation, cast nickel aluminum bronze (NAB) was subjected to friction stir processing (FSP). The mechanical properties and the cavitation erosion behavior of the as-cast and FSP NAB alloy were investigated. The results showed that the initial microstructure of the as-cast NAB transformed to the fine and homogeneous microstructure after FSP, therefore improving the microhardness, yield strength, ultimate tensile strength, and elongation of as-cast NAB alloy. The cavitation erosion test showed that the FSP improved the cavitation erosion resistance of the as-cast NAB alloy in the distilled water. Furthermore, the cavitation erosion mechanisms in as-cast and FSP NAB alloy were investigated and understood in terms of schematic diagrams in this research.

通过焊接工艺、焊接结构的优化,对比研究复合板对接接头质量,采用金相分析、硬度测试、X射线能谱、断口分析等手段,研究了(Q345R + S30403)复合板根部焊接裂纹的成因.结果表明,焊缝成分发生明显改变是不锈钢母材对根部焊缝的稀释作用,显著增大了焊缝淬硬倾向,是导致焊接氢致延迟裂纹发生的根本原因.研究得出了复合板焊接裂纹的有效控制方法,5 mm钝边、单边V形坡口、无间隙组对等结构设计和背部清根处理、不锈钢背部盖面的焊接工艺,有效避免了根部焊接冷裂纹的发生.该研究对石油、化工、电建及压力容器等防腐结构件的焊接质量提升具有重要的工程指导意义.

通过焊接热模拟并结合有限元数值模拟,对X80 环焊缝同一区域进行多次返修模拟,研究不同次数返修后环焊缝的微观组织、韧性、硬度和承压能力的变化.结果表明,不同返修次数下,焊接接头组织类型未发生变化;多次返修对组织的影响具有叠加效应,焊接热输入的作用使晶粒发生再结晶细化,对韧性具有优化作用;但随着热循环的反复作用,细化后的晶粒又开始长大,并在 3 次返修后韧性发生劣化;焊缝返修使焊接接头的硬度显著下降并增大了硬度分布的分散性,多次返修能够在首次返修的基础上略微提高接头硬度;在内压条件下,返修后环焊缝的等效应力高值分布在填充焊焊层,且应力随返修次数的增加而增大;1 次返修使环焊缝承压能力下降明显,此后随着返修次数增加,承压能力降幅较小.综合考虑强韧性及承压能力,建议X80 管道环焊缝返修次数不超过 2 次.

采用 4004 钎料真空钎焊 6063 铝合金蜂窝板,研究了不同蜂窝芯厚度对钎焊接头微观组织的影响.结果表明,在钎焊温度为 585℃、保温时间为 20 min时,厚度为 0.10 mm蜂窝芯无法钎焊成形.3 种不同厚度蜂窝芯均有熔蚀现象产生.当单层蜂窝芯厚度为 0.10 mm和 0.15 mm时,在钎焊界面反应区存在白色的Al-Si共晶相,其形貌在单层窝芯厚度 0.10 mm时为块状,其形貌在单层窝芯厚度 0.15 mm时为树枝状;当单层蜂窝芯厚度为 0.21 mm时,白色的Al-Si共晶相消失,仅存在Si元素富集相.双层蜂窝芯厚度为 0.10 mm的蜂窝板钎焊界面坍塌;当双层蜂窝芯厚度为 0.15 mm时,界面反应区(富Si金属间化合物相)较大,但是芯材没有发生熔解现象,界面反应区与芯材之间也形成部分影响区(α-Al固溶体相),面板与界面反应区之间的影响区也小于双层蜂窝芯厚度为 0.10 mm的影响区;当双层蜂窝芯厚度达到 0.21 mm时,面板与界面反应区中间的影响区增大,芯材同样没有发生熔解现象,芯材界面反应区变小;即双层蜂窝芯脆性富Si金属间化合物减少,α-Al固溶体相增多.

在等静压石墨/BNi-2/304 不锈钢套管式真空钎焊试验的基础上,使用有限元分析软件对钎焊接头在不同钎焊间隙下残余应力的大小和分布进行模拟,结合试验对模拟结果进行分析说明,判断接头薄弱区.结果表明,对于等静压石墨管和不锈钢管钎焊接头,304 不锈钢侧和BNi-2 钎料层中的残余应力对接头强度的影响不大;随着钎焊间隙增加,径向残余应力减小,接头强度提升,但钎焊间隙过大时会使接头拉断,影响母材连接;通过模拟分析发现,当钎焊间隙为 50 μm左右时,母材连接不充分;当钎焊间隙为 150 μm左右时,获得良好接头;当钎焊间隙为 250 μm左右时,受 304 侧与石墨侧的径向残余应力共同作用下,接头产生环形裂纹;当钎焊间隙为 350 μm左右时,沿轴线方向距接头顶部约 900 μm、沿径向方向距钎料约 600～1 000 μm处的等静压石墨为接头薄弱区,并产生环状裂纹衍生至接头端面.

以Sn0.3Ag0.7Cu为钎料,纯Cu板为基板,采用过渡液相扩散焊工艺制备Cu/Cu3Sn/Cu6Sn5/Cu3Sn/Cu多层结构全金属间化合物焊点,通过扫描电子显微镜和能谱仪分析了焊点的组织形貌和成分,测试了焊点的抗剪强度,研究了界面金属间化合物的生长机理.结果表明,由于温度梯度的影响,冷端Cu6Sn5 生长速度大于热端.回流时间为 5h时,焊缝形成全金属间化合物,焊缝界面较为平整且无缺陷,抗剪强度由 32.16 MPa降至 21.29 MPa,降低了 33.8%,断裂模式由塑性断裂最终演变为脆性断裂.

钛合金和铝合金广泛应用于航空航天、舰船和汽车等工业中,钛/铝连接结构也得到越来越多的重视.文中对钛合金与铝合金异种金属的焊接性进行了分析,重点论述了国内外钛合金与铝合金异种金属钎焊、熔钎焊连接方法研究现状.指出了钛合金与铝合金物理化学性质差异较大,目前仍存在钎焊时脆性Ti/Al金属间化合物生成难避免、熔钎焊时热输入不均匀易导致钛合金与铝合金连接接头组织分布不均的难题.通过改变钎料类型、钎料成分配比与焊接参数,可有效减少脆性Ti/Al金属间化合物的生成,熔钎焊时可通过选择合适的焊接方法与焊接工艺或通过对焊缝填充金属来减少脆性Ti/Al金属间化合物生成等方法.最后针对钛合金与铝合金异种金属钎焊及熔钎焊的发展及研究方向提出了展望.

采用双丝GMAW进行了 50 mm厚NM450 与ZG30SiMn异种钢材的窄间隙焊接.在模拟窄间隙坡口内进行了焊丝角度与焊接模式的探索,发现当焊丝夹角为 6°、2 个焊机的焊接模式均为恒压时,能够得到成形良好、无宏观缺陷的焊接接头.在进行厚板焊接时,2 个电弧能够在侧壁稳定燃烧,并且熔体能够充分流动并润湿侧壁使得焊缝呈凹面形态.由于 2 根焊丝之间呈一定角度,侧壁未熔合缺陷得到有效抑制,并且在未预热的条件下也未出现宏观裂纹.焊缝组织主要为大量针状铁素体与少量块状铁素体,盖面层存在有较多的块状铁素体,而且块体比较大,而打底层与填充层块状铁素体数量较少,而且块体比较小,这也导致打底层焊缝的显微硬度大于填充层焊缝的显微硬度大于盖面层焊缝的显微硬度.

为了研究Ni-P镀层厚度对Cu/Al接头性能的影响,采用Zn98Al钎料对不同镀层厚度的T2 紫铜与 3003 铝合金进行了钎焊,获得一系列钎焊接头,研究了钎料在镀层铜板上的铺展润湿性能,并采用光学显微镜、扫描电子显微镜对接头中Cu侧界面结构形态、化合物层厚度及种类等进行分析,进一步研究了镀层厚度对接头力学性能及断口形貌的影响.结果表明,随着镀层厚度增加,钎料在镀层铜板上的铺展面积呈先升后降的趋势,与无镀层铜板相比,当镀层厚度为 5～20 μm时,钎料的铺展面积由 62.4 mm2 增加到 189.5 mm2,增加了近 3 倍,此时,钎料的铺展面积稳定、润湿性能较好,有助于获得优质接头;与无镀层接头相比,镀层厚度小于5μm时,接头Cu侧界面结构仍为粗大的Cu3.2Zn4.2Al0.7 化合物层,接头强度变化不大;当镀层厚度为5～20 μm时,镀层有效阻隔了Cu,Al原子扩散,接头Cu侧界面结构转变为Ni-P镀层+较薄的Al3Ni化合物层,同时接头抗剪强度也增加到最大值 39 MPa,与无镀层接头相比提高了约 21.8%;当镀层厚度大于 20 μm时,接头Cu侧界面结构转变为部分熔解的不规则Ni-P镀层+ Al3Ni化合物层,此时接头抗剪强度开始急剧下降.综合考虑钎料的铺展润湿性能、接头Cu侧界面结构及接头力学性能,确定Ni-P镀层最佳厚度为 5～20 μm.

采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15 非晶钎料实现了Ti60 合金的气体保护钎焊,利用扫描电子显微镜、能谱仪、同步热分析仪、显微硬度仪和电子万能试验机等手段研究了钎焊接头中元素的分布情况及钎焊工艺参数对接头界面组织结构及力学性能的影响,分析了钎焊温度、保温时间的变化对接头晶化的影响规律.结果表明,采用Ti43Zr27Mo5Cu10Be15 非晶钎料可以实现Ti60 合金的钎焊连接,在钎焊温度 1 020℃、保温时间 30 min的条件下,钎缝中发现Ti-Cu金属间化合物Ti2Cu和少量(Ti,Zr)2Cu金属间化合物.随着钎焊温度的升高或保温时间的延长,接头内元素反应越来越充分.两侧母材及钎料中的Ti元素和Zr元素相互扩散,钎缝中的组织逐渐长大并充满钎缝,接头抗拉强度先增加后降低.当钎焊温度为 1 020℃,保温时间为 30 min时,接头获得最大抗拉强度为 529.6 MPa.

通过显微组织观察和硬度测试等方法,采用单脉冲电阻点焊连接技术研究不同的焊接时间和焊接电流条件下不等厚度22MnB5/DP590 点焊接头组织特征及其变化规律,并利用JMatPro热力学模拟软件对DP590 和 22MnB5 母材的电阻率和导热率等热物理参数进行计算.结果表明,点焊接头的熔核区为粗大的板条马氏体;两侧热影响区按照原奥氏体晶粒大小可分为粗晶区和细晶区;当焊接电流为 8.5 kA、焊接时间为 160 ms时,22MnB5 侧的热影响区出现液化裂纹;随着焊接时间的增加,熔核直径先增加后下降,母材两侧的压痕率均增加,且 22MnB5 侧的压痕率大于DP590 侧的压痕率,熔核向DP590 侧偏移;随着焊接电流的增加,熔核直径增加,压痕率先增加后保持不变,熔核偏移有所改善;熔核区和热影响区显微硬度高于母材,其中 22MnB5热影响区显微硬度最高.

为提高电弧增材制造的成形效率,分析了目前路径规划算法的优缺点,提出了基于深度优先搜索(DFS)算法与蚁群算法相结合的复合路径规划优化方法.在zigzag扫描与轮廓偏置相结合的复合路径规划算法的基础上,采用多种不同扫描倾角的zigzag路径算法对多孔洞截面轮廓进行填充,并通过深度优先搜索算法进行zigzag扫描路径分区进行连接,以减少zigzag扫描路径的路径条数和起弧熄弧次数,然后采用蚁群算法搜索路径规划顺序和起弧熄弧点的优化组合,使填充路径的总空行程长度最小.仿真结果表明,DFS分区连接算法对不同扫描倾角的zigzag路径规划皆能起到良好连接作用,采用蚁群算法的电弧增材制造路径规划方法可以有效减少扫描空行程长度.

铝合金和钢在高温下易反应生成多种金属间化合物,使铝/钢的焊接一直是焊接领域的一大难题.控制接头界面处金属间化合物的生成及其尺度,是成功进行铝/钢焊接的关键.电弧熔钎焊是解决铝/钢异种金属焊接全面走向工程应用的最具希望的几种焊接方法之一.文中综述了近年来铝/钢电弧熔钎焊研究的发展现状,分析了铝/钢电弧熔钎焊焊接性,重点探讨了控制金属间化合物生长的方法,包括减小焊接热输入、降低热源能量密度、添加具有抑制金属间化合物生长的合金元素、采用中间层等;总结了改善液态金属润湿性和铺展性的方法,包括采用镀层/覆层、采用钎剂、采用辅助磁场、进行预热或辅助加热等.最后提出了若干铝/钢电弧熔钎焊需要进一步解决的问题.

设计了 3 种成分的AgCuMnNi钎料.3 种钎料固液相线温度均处于 750～792℃,钎料铸态组织主要由富Ag相与富Cu相组成.随着钎料中Ag含量的增加与Ni,Mn含量的减少,钎料铸态组织中富Ag相占比逐渐增加.在 860℃,保温 10 min工艺条件下,采用 3 种钎料真空钎焊YG6X/GH4169,Ag-3(AgCuNi4Mn8)钎料的钎焊接头平均抗拉强度为 432.8 MPa,高于Ag-1(AgCuNi11.5Mn21.5)和Ag-2(AgCuNi4Mn11.5)钎料的钎焊接头平均抗拉强度.Ag-3 钎料的钎焊接头微观组织中富Cu相与富Ag相分布均匀,而Ag-1 与Ag-2 中由于Mn含量较多,钎焊过程中生成了高Mn氧化区域,弱化了接头的力学性能.

采用新型Fe-Cr-Ni基钎焊材料对SUS444/SUS304 异种不锈钢进行真空钎焊,研究了搭接接头的扩散连接机制,探究了钎焊温度、搭接间隙参数对显微组织和室温抗剪强度的影响规律,最后分析了T形接头在酸性介质中不同时间的浸泡腐蚀行为.结果表明,在钎焊过程中,钎料在SUS444 母材侧扩散作用较为明显,存在较宽的元素扩散区,钎缝主要由两侧界面区先凝固Fe(Cr,Ni,Si)固溶体、钎缝中心区(Fe,Cr,Ni)3P金属间化合物及Fe(Cr,Ni,Si)固溶体形成的类似共晶组织构成;钎料对钎焊温度较为敏感,温度过高,易产生虚焊孔穴,导致抗剪强度下降明显;钎料对搭接间隙敏感性较小,可满足大间隙钎焊要求.在钎焊温度 1 125℃、搭接间隙 35 μm条件下,抗剪强度最大达到 177.3 MPa.T形接头腐蚀优先发生在钎角共晶组织中的Fe(Cr,Ni,Si)固溶体,浸泡腐蚀 288 h后,溶液侵蚀至钎角界面区,并蚀穿先凝固固溶体,对母材进行电偶腐蚀.

使用脉冲TIG焊对FeCrAl合金板材同质材料进行焊接,通过光学显微镜,扫描电子显微镜及能谱仪等手段研究了焊后接头的显微组织特征、焊缝区域氧化物颗粒的分布情况及焊接接头的力学性能.FeCrAl合金板材脉冲TIG焊通过填充等成分的FeCrAl合金丝材进行焊接,焊后焊缝为粗大的铁素体组织,热影响区为细小的等轴晶组织.脉冲TIG焊FeCrAl合金板材热处理后,焊接接头最大抗拉强度值为502 MPa,约为母材强度的65.4%,可以满足FeCrAl合金板材焊接接头作为承重结构时的力学性能需求.

针对水电用 1 000 MPa级高强钢设计了一种埋弧焊用焊丝、焊剂.借助JMat Pro软件对熔敷金属的组织和力学性能进行模拟,并通过拉伸试验、冲击试验、OM,SEM,EDS等手段对其进行评价.研究了熔敷金属成分和焊接热输入对熔敷金属组织及力学性能的影响.试验结果表明,研制的焊材焊接工艺性优良,通过控制合金元素含量使熔敷金属力学性能远高于标准值;重点分析了Cr含量对熔敷金属组织和力学性能的影响,熔敷金属中少量的Cr元素会提高针状铁素体含量,Cr元素含量较高时,会增加贝氏体含量,使熔敷金属强度不断提高,冲击韧性先提高后降低;随着焊接热输入的升高,熔敷金属中针状铁素体含量不断减少,先共析铁素体含量提高,组织粗化,熔敷金属强韧性不断降低.

针对超硬工具中硬质合金片与钢基体钎焊过程中质量不稳定、效率低等缺点,开发研制连续式感应自动化钎焊机及钎焊工艺,自动化钎焊机以焊接建工钻头为例,该自动化钎焊机由上料找正装置、装片装置、点膏装置、感应焊接装置、机架、机头部件及控制系统组成,通过对焊接温度、焊接时间、装片装置、点膏装置等进行自动控制,实现硬质合金片与钢基体自动化焊接,保证了焊接质量,提高了焊接效率.

标准数字化转型是标准化工作适应全球数字化发展的必然趋势,焊接材料作为量大面广的基础类连接材料,应努力在标准数字化进程中实现与国际发展进程的并跑.《焊接材料质量评价通则》认可认证标准正在制定和完善中,针对国家重大装备制造业的高端产品需求和绿色制造的发展态势,通过对标准数字化的核心要素及其内涵的分析与认识,提出了评价产品质量的项目和评价的原则,结合目前焊材认可认证标准制定中的技术思路与特点,对焊接标准数字化的实施与发展作一讨论和展望.