铝合金厚板FSW焊缝成形及金属流动行为分析

采用三角平面圆锥形搅拌针焊接20 mm厚的铝板,分析工艺参数对焊缝成形及金属流动特征影响。随着旋转速度增加,单位时间内金属迁移量增大,焊核区面积增加,疏松区面积减小至消失;而过大的旋转速度反而使疏松缺陷再次出现。适当减小焊接速度,增大单位长度内焊缝热输入,改善焊缝成形,但焊接速度过小易导致焊缝上部受热过多,疏松区及内部孔洞变大。在合适的参数下焊接时,瞬时空腔的出现可使更多塑化金属绕搅拌针做圆周迁移,即提高了沿水平方向的“抽吸-挤压”效应,改善了金属流动性,减少甚至消除焊缝内部缺陷。     

辅助加热温度对铝合金厚板FSW焊缝成形的影响

对铝合金厚板搅拌摩擦焊（FSW）而言,焊缝底部金属温度低、流动能力差是导致焊缝成形困难的主要原因。为此,本研究采用辅助加热的方式对待焊母材底部进行预热,分析辅助加热温度对厚板搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。结果表明,随着辅助加热温度从20℃升高至80℃时,焊缝成形质量先变好后变差,宏观表现为焊缝内部焊核区宽度、高度及面积呈现先增大后减小的趋势,而疏松区面积呈现先减小后增大的趋势。其中,当辅助加热温度为40℃时,焊缝成形质量最好,焊核区尺寸最大,疏松区消失;而当辅助加热温度升高至80℃时,焊缝成形质量最差,疏松区面积最大。研究认为,其主要原因是添加合适的辅助加热温度可显著提高焊核区塑性金属的峰值温度及高温停留时间,塑性金属流动能力明显提高,焊缝成形质量得到极大改善。焊核区塑性金属的迁移方式由沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移向挤压焊核区周边冷金属横向迁移转变。但是,当辅助加热温度太高时,焊核区塑性金属迁移方式开始转变为原始的沿搅拌针表面向焊缝上部高温区迁移,且此迁移程度有明显增大的趋势,导致焊缝内部疏松区缺陷再次出现。     

基于螺纹锥形搅拌头的搅拌摩擦焊三维流场仿真研究

本文利用CFD软件包FLUENT建立了带螺纹表面的锥形搅拌头搅拌摩擦焊三维流动模型。通过数值模拟得到了焊缝沿厚度方向的水平切面速度矢量图,截面的速度矢量图以及用于观察材料流动行为的流动线图。同时分析了搅拌头表面螺纹对塑化金属流动行为的影响及焊缝塑化金属的流动规律。模拟结果对于搅拌摩擦焊过程中焊缝处塑化金属流动以及焊缝形成机理研究具有重要的指导意义。     

搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊试板温度场的影响

通过实验测量了不同类型搅拌头条件下铝合金焊接试板特征点的温度曲线,分析了搅拌头轴肩尺寸和搅拌针形状对焊接试板温度场的影响。结果表明,轴肩是搅拌摩擦焊接热输入的主要来源,搅拌头轴肩尺寸越大,产生的焊接热量越大,对应试板测温点的温度越高。搅拌头针形对焊接初始阶段试板的温度有明显影响,稳定焊接阶段,试板温度与搅拌针的几何特征及其作用下焊缝金属的塑性流动有关。采用圆台形搅拌针时焊接试板温度最高,采用圆柱形搅拌针时试板温度次之,采用螺纹形搅拌针时试板温度最低。通过对采用圆柱形搅拌针时垂直于焊缝方向上焊接试板温度数据的回归分析,得到了焊接试板宽度方向温度分布的二次解析式。     

6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场研究

采用热电偶测温技术系统测定了6mm6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板各特征点的温度变化曲线,分析了双轴肩搅拌摩擦焊过程中焊接试板不同区域的温度场分布特征。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头上、下轴肩同时产热,比传统搅拌摩擦焊产热量大,且热输入方式及试板接触散热条件也有很大不同,因此,其稳定焊接速度较大,从而导致双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场分布特征与传统搅拌摩擦焊明显不同。双轴肩搅拌摩擦焊过程分为加速焊接和稳定焊接两个阶段,起始阶段,随着焊接速度的增加,靠近起始端测温点的温度逐渐升高,而远离起始端各测温点的温度升温则非常缓慢,当焊接速度达到较高的稳定焊接速度,搅拌头接近后续各测温点时,其温度值瞬间急剧升高,然后随着搅拌头的远离,温度值逐渐下降。不同区域测温点温度测试结果显示,靠近下轴肩试板测温点的温度高于靠近上轴肩试板、后退侧的温度明显高于前进侧;与单轴肩搅拌摩擦焊接试板相同,距离焊缝越近的位置温度上升和下降的越剧烈,峰值温度越高;焊接速度提高,各测温点的峰值温度依次降低,随着测温点远离焊缝中心,焊接速度对其温度分布的影响作用逐渐减弱。     

2219铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接头组织及性能

文摘采用静止轴肩搅拌摩擦焊的方法获得了2219C10S铝合金焊接接头,研究了焊接接头典型的宏观、微观组织特征、焊接工艺参数对焊缝成形特征及焊接接头力学性能的影响规律。结果表明:相对常规搅拌摩擦焊,由于静止轴肩式搅拌头的结构特点,焊接过程中可有效避免飞边和焊缝内部缺陷;随着焊速的增加,接头焊核由"碗状"变为"腰鼓"状,体积也逐渐减小,还出现了轴肩影响区这一特殊组织特征;焊接接头的显微硬度分布呈现出独特的"∪"形,焊核区的显微硬度最低;当焊接速度≤250 mm/min,随着焊接速度的增加,接头的拉伸性能逐渐增加;当焊接速度增加至300 mm/min时,由于在焊接接头中出现了沟槽缺陷,拉伸性能急剧下降。     

2219 铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

对2219铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了焊缝成型、接头组织形态及力学性能.结果表明:2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝正反面成型美观,内部无缺陷,几乎无焊缝减薄.接头宏观形貌呈典型的“哑铃型”,焊缝上下表面宽,中间略窄.从显微组织角度看,接头的焊核区、热机影响区、热影响区等组织特征与常规搅拌摩擦焊相似.双轴肩搅拌摩擦焊接头显微硬度分布趋势与常规搅拌摩擦焊接头相似,均为典型的“W”型,但双轴肩搅拌摩擦焊接头不存在各层异性.接头力学性能试验表明:双轴肩搅拌摩擦焊接头抗拉强度达到了318.3 MPa,延伸率为5.5％.接头断口形貌呈典型的韧性断裂.     

搅拌摩擦焊技术在巴西航空工业公司的应用

采用铝合金熔焊工艺时,金属部件的温度高于600℃,而采用搅拌摩擦焊(FSW)技术时,焊接铝金属部件的温度低于400℃,这样在焊接过程中就能使焊接区材料保持一种热塑化状态。     

2219铝合金变截面结构搅拌摩擦焊接工艺及组织特性

针对变截面结构产品,提出了一种变截面搭接结构搅拌摩擦焊接方法,通过加装辅助板将整条焊缝焊接方向上补偿为等厚度。焊接采用一次定位焊接+二次定位焊接+正式焊接的工艺方式,一次定位焊为预定位,二次定位焊保证辅助板与试片主体结构之间形成有效连接,正式焊保证形成完整的焊缝。焊缝表面成形良好,超声相控阵检测无超标缺陷。通过对力学性能的分析,变截面搭接结构处焊缝与非搭接处焊缝和常规对接焊缝的力学性能基本相同,平均抗拉强度均达到母材的70%以上,平均延伸率均在5.8%以上。变截面搭接焊缝焊核处晶粒形态为细小的等轴晶,靠近轴肩影响区部分的晶粒尺寸大于靠近焊缝根部的晶粒尺寸,受再结晶影响,焊缝两侧热机影响区处辅助板搭接界面消失。     

2219薄板铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接及组织性能分析

以运载火箭助推器贮箱广泛应用的4 mm厚2219薄板铝合金为焊接对象,研制了浮动式双轴肩搅拌头,分析了内部塑性金属流动模式及特点,并推测出需匹配较低焊接热输入才能获得优质焊缝。工艺探索及优化试验结果直接验证了焊缝内部塑性金属流动模式及推测。接头宏观组织形貌分析结果显示:不同焊接速度下的焊缝横截面宏观形貌都可以观察洋葱环特征,且随着焊接速度提高,洋葱环特征越发增多,并从靠近前进侧的焊核区逐渐向后退侧孕育发展,这也有效验证了薄板铝合金双轴肩搅拌头的设计思路。薄板铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头横截面显微硬度分布均呈"U"型,接头显微硬度最低点位于焊核区与后退侧热机影响区的交界处。接头力学性能测试结果显示:随着焊接速度逐渐升高,接头抗拉强度逐渐升高,且当焊接速度达到350 mm/min时,接头抗拉强度达到最高值。铝合金浮动式双轴肩搅拌摩擦焊接头延伸率整体较高,焊接速度对其影响不大。铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头正、背弯均可以达到180°无裂纹。基于立式纵缝搅拌摩擦焊系统成功实现了2 m长试片的浮动式双轴肩搅拌摩擦焊,累计焊接长度达到60 m,且双轴肩搅拌头完整,未发现裂纹、扭曲或其他损伤。     

平移速度的变化对搅拌焊接材料流动的影响

基于有限元方法对不同搅拌头平移速度下搅拌摩擦焊接过程中焊接构件Al6061-T6材料的三维流动问题进行分析,研究了搅拌头平移速度的变化对等效塑性应变的分布和材料流动的影响。结果表明,搅拌头前方的材料向上涌起,被旋推到搅拌头后方并开始向下运动,这一过程是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因。材料的等效塑性应变等值线与不同焊接区域的边界具有较好的对应关系。随着搅拌头平移速度的增加,垂直于焊缝方向上的截面上,等效塑性应变减小,但是材料的流动速度会随之增加。较低的搅拌头平移速度有利于焊缝中心线两侧材料的融合。     

转速对铝铜层状复合板搅拌摩擦焊接接头组织性能的影响

采用搅拌摩擦焊接(FSW)对铝铜层状复合板进行焊接,研究转速对焊接接头组织性能的影响。结果表明:FSW接头在焊缝区域内铝铜金属呈层状分布;随着搅拌头转速的增大,焊核区(NZ)中铝与铜晶粒尺寸增大;转速为1180 r/min时,铝层焊缝中心区域平均显微硬度为33.0 HV,超过母材显微硬度,抗拉强度为127.21 MPa;转速为750 r/min时,铜层焊缝中心区域平均显微硬度为99.7 HV,达到母材显微硬度的82.05%;孔洞缺陷是造成接头力学性能较低的主要原因。     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头焊核区域成型过程及影响因素

接头焊核区域的形成是搅拌摩擦焊接的一个典型特征,其形状和大小对搅拌摩擦焊接头的性能有重要影响。以AZ31镁合金为母材,分析不同焊接参数(包括焊接压力、焊接速度、搅拌头倾斜角)条件下搅拌摩擦焊接头焊核成型的规律及特点,并建立焊核成型过程的简单模型。分析认为焊接压力和搅拌头倾斜角是影响焊核成型的重要因素,而焊接压力决定塑性材料的形成。焊核的形状主要由塑性材料的流动状态决定,搅拌头的形状和焊接速度影响塑性材料的流动,从而影响焊核的成型。掌握FSW焊核成型规律,可以选择合理的工艺参数。     

2014铝合金搅拌摩擦焊接头的微观组织及力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2014Al合金进行了焊接,焊后对接头的微观组织和力学性能及断裂特性进行了分析.研究结果表明,焊核区和轴肩影响区由细小的等轴再结晶组织构成;热机影响区受机械和热的双重作用组织发生了较大程度的变形,在热循环的作用下发生回复反应;热影响区仅受热循环的作用,组织稍微有粗化现象.力学试验表明:焊接速度为150mm/min时,接头的抗拉强度可以达到361MPa,为母材的78%,抗弯强度达到母材的76%.断口形貌分析显示,接头断裂模式为韧性和脆性的混合型断裂.     

焊接方式对铝合金搅拌摩擦焊T 型接头性能的影响

采用4种规格的搅拌头进行了2A70-T6铝合金T型接头搅拌摩擦焊试验,并对焊缝横截面进行了观察以及焊缝抗拉强度的测试.结果表明:焊缝中前进侧熔合过渡区的金属变形比返回侧剧烈,焊缝断裂往往发生在前进侧;在相同的焊接参数下,单道焊缝的焊核宽度与抗拉强度随着搅拌针直径的增大而增大,但增大的幅度较小,并列焊的焊缝抗拉强度仅为单道焊缝的93％左右;为了获取相同宽度的焊核,采用加粗搅拌针单道焊比并列焊更具有优势.     

铝合金搅拌摩擦焊后人工时效力学性能数值模拟

采用KWN模型构建搅拌摩擦焊接中Al-Mg-Si系铝合金沉淀相演化计算模型,通过将屈服强度分为晶粒大小、固溶相和析出相三部分贡献,可以计算平板搅拌摩擦焊后的屈服强度和硬度。进一步研究不同焊后人工时效条件下,焊接平板力学性能变化的机理。结果表明:更长的焊后保温时间有利于搅拌区力学性能的回复;较高的保温温度有利于搅拌区力学性能的快速回复,但是当温度高于200℃时,长时间保温会使母材软化,不利于力学性能回复;通过焊后人工时效不能明显改善热影响区的力学性能。     

直角切削6061-T6铝合金剪切区力学行为及微观结构演化预测

力学行为是塑性变形微观过程的宏观表现,早期的金属切削理论模型没有考虑微观结构对切削力的影响。在考虑热力耦合效应的基础上建立了基于位错密度材料模型的6061-T6铝合金直角切削力预测模型,分析了不同切削参数下基于位错运动的塑性变形机制对切削力的影响。结合等分剪切区和非等分剪切区模型,构建了第一变形区多物理场计算方法,提出一种切屑形成过程中由塑性变形引起的微观结构演化解析模型。通过测量切削力和切屑内晶粒尺寸对模型的可行性进行了初步验证。结果表明：剪切区长度变长引起参与位错滑移的材料增多是切削深度增大导致切削力增大的主要原因。增大切削速度导致切削力的降低不是单一变量影响的结果,而是应变降低引起位错增殖数量减少和温度升高引起位错湮灭作用增加的共同作用结果。非等分剪切区模型正确反映了第一变形区温度和应力的分布特征,且与二维有限元模型分布相一致,建立的第一变形区微观结构演化解析模型能够预测切屑内位错密度和晶粒尺寸。     

焊透深度和前进侧位置对FSW 贮箱锁底接头性能的影响

开展了2219MCS 叉形环和2219C10S 短壳组成的锁底接头的搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了

搅拌针长度和前进侧位置对锁底接头Hook 型缺陷、力学性能、断裂方式的影响规律。结果表明:搅拌摩擦焊

锁底接头在短壳一侧存在Hook 型缺陷,短壳位于前进侧时的搭接界面上翘曲率和迁移量均大于叉形环位于

前进侧,且随着搅拌针长度的增加,搭接界面的向上迁移量逐渐增大。相同的焊透深度时,叉形环位于前进侧

的力学性能优于短壳位于前进侧;相同的前进侧位置时,随着焊透深度的逐渐增加,接头力学性能逐渐降低。

锁底接头搭接界面缺陷形貌及迁移量的变化是引起力学性能变化的主要原因。优化的试验结果显示,当焊透

深度和短壳板材厚度相同,且叉形环位于焊缝前进侧的力学性能最优,常温可达到300 MPa,低温可达到370

MPa,延伸率均超过3. 5%。锁底接头的拉伸断裂方式与焊缝前进侧位置密切相关。当短壳位于前进侧时,从

短壳一侧热力影响区断裂;当叉形环为前进侧时,从焊缝焊核区断裂。