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。     

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。     

2219铝合金搅拌摩擦焊结构ECA评定

基于含缺陷结构断裂评定的COD设计曲线与净截面屈服失效判据,对2219铝合金搅拌摩擦焊结构进行了工程临界评定(ECA)。分析了2219铝合金搅拌摩擦焊接头焊核区、热机影响区、热影响区和母材区的临界裂纹尺寸,确定了不同载荷水平下2219铝合金搅拌摩擦焊结构的表面缺陷容限,并对特定内压下2219铝合金运载火箭贮箱筒段搅拌摩擦焊纵缝进行了ECA评定,为2219铝合金搅拌摩擦焊结构的断裂控制提供了参考。研究结果表明,纵向前进边热影响区为2219铝合金搅拌摩擦焊接头断裂控制的关键区域,特定内压条件下给定的表面缺陷可以接受。     

7A60铝合金搅拌摩擦焊工艺及性能分析

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为6mm的7A60超高强铝合金进行了焊接试验,分别测试了搅拌头形状、工艺参数搅拌摩擦焊接头对抗拉强度的影响.结果表明:搅拌头的形状对焊缝接头强度有一定的影响;在旋转速为300r/min,且焊接速度为200mm/min时,可以获得较好的焊接性能,抗拉强度可以达到488.69MPa,为母材的75％;接头显微硬度最低值出现在焊接热影响区而不在焊核区,主要是焊核区经过动态再结晶形成了细小的等轴晶粒所致;断口形貌分析显示,接头断裂模式为脆性和韧性的混合型断裂.     

2024厚板铝合金温度场检测分析

通过对13mm厚2024铝合金进行搅拌摩擦焊工艺实验,检测了焊接过程中沿水平焊缝X方向、垂直焊缝Y方向和焊缝厚度Z方向上特征点的三维温度分布,并分析了焊接参数对温度场分布的影响。     

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.     

铝合金搅拌摩擦焊对搭接接头Hook缺陷研究

对厚度为16mm与20mm的6082铝合金对搭接接头进行搅拌摩擦焊接试验,结果表明,对搭接接头搅拌摩擦焊接工艺参数可调范围较宽,搅拌头旋转速度在300~600r/min及焊接速度在60~200mm/min条件下,能够获得完整无缺陷的焊接接头。搭接面处于前进侧时,Hook缺陷向上偏转,角度大于90°;搭接面处于后退侧时,Hook缺陷向下偏转,角度小于45°。     

固相连接新技术——搅拌摩擦焊接技术

介绍了搅拌摩擦焊接技术在国外的发展及应用情况,分析了搅拌摩擦焊的工艺过程、焊接接头的金相组织、焊接接头的机械性能及搅拌摩擦焊技术目前存在的优缺点,表明搅拌摩擦焊技术属于固相连拉技术,可用于高强铝合金的连接,是航宇工程中一一种新型、有效的连接技术。     

固相连接新技术--搅拌摩擦焊技术

介绍了搅拌摩擦焊技术在国外的发展及应用情况,分析了搅拌摩擦焊的工艺过程、焊接接头的金相组织、焊接接头的机械性能及搅拌摩擦焊技术目前存在的优缺点,表明搅拌摩擦焊技术属于固相连接技术,可用于高强铝合金的连接,是航宇工程中一种新型、有效的连接技术。     

焊接速度对7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的影响

针对5 mm厚航空用铝合金7050-T7451进行了不同焊速时搅拌摩擦焊接头的微观结构和低周疲劳性能的研究.结果表明:接头焊核区面积与焊核区晶粒度都随着焊接速度的增加而减小;转速为400 r/min、焊速为40 mm/min时,接头具有最好的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头的低周疲劳裂纹均在接头底部启裂,沿前进侧热机械影响区与焊核区的过渡区域扩展至断裂.     

搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用

搅拌摩擦焊是一种在机械力和摩擦热作用下的固相连接方法,其通过搅拌头的旋转来使两种相同或者不同材料连接在一起.搅拌摩擦焊焊接原理如图1所示,焊接过程中,搅拌头旋转着缓慢插入被焊工件,搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热,使搅拌头邻近区域的材料接近焊接材料的熔点;当搅拌头旋转着向前移动时,搅拌头附近的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移,并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦产热和压力共同作用下,形成致密固相连接接头[1].     

Ti/Al无针搅拌摩擦搭接点焊接头组织特征

采用无针搅拌摩擦搭接点焊对Ti6Al4V钛合金和2A12铝合金异种金属进行焊接,焊后低熔点铝合金受摩擦热影响发生熔化,而高熔点钛合金在焊接过程中始终保持固态,同时与处于液态的铝合金相互作用,最终Ti/Al界面形成熔钎焊接头且接头拉伸剪切力达19.20 kN。研究了Ti/Al熔钎焊接头钛合金和铝合金的组织变化以及连接界面的特征形貌。结果表明由于摩擦热及搅拌头下压的影响,焊点处钛合金和铝合金组织发生明显变化。钛侧主要形成热力影响区和母材区;铝侧形成熔核区、热影响区和母材区3个区域,热影响区和熔核区的晶粒尺寸相对母材区变粗大,其组织经历了受热长大、部分熔化到完全熔化3个过程。在搭接接头界面处形成均匀致密且微薄的金属间化合物层,主要成分为TiAl₃;接头界面区组织变化明显,中间部位有均匀的TiAl₃界面层,随着向接头两边延伸界面层逐渐消失且Cu元素聚集在边缘。相对其他Ti/Al搭接点焊的焊接方法,无针搅拌摩擦搭接点焊获得的接头抗拉伸剪切力得到了明显的提升。     

搅拌摩擦焊接机器人形变及载荷控制方法研究

基于搅拌摩擦焊接中搅拌头受力数学模型,利用Ansys Workbench建立了搅拌头的静力学模型。分析了焊接过程中前进阻力、侧向力、轴向力和扭矩对搅拌头应变影响,仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区域。合适的焊接方法与工艺对提高机器人搅拌摩擦焊接稳定性有很大帮助,对搅拌摩擦焊点焊、优化搅拌头设计和焊接工艺参数、热源和超声辅助、反馈测量补偿搅拌摩擦焊、改进机器人结构刚度和精度等载荷控制方法进行了详细阐述。结合工业机器人整体刚性较弱、加工作业时易引发颤振、关节减速器内部齿隙较大,提出了基于双电机传动的无间隙传动高刚性机械臂结构设计,并对机械臂刚度特性进行分析。     

热处理对高强铝合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能的影响

通过"搅拌摩擦焊+固溶+人工时效热处理"的方法实现了12 mm厚航天用高强铝合金2A14M的焊接及接头性能改善。研究表明未进行焊后热处理的焊接接头断裂位置位于焊核区,平均抗拉强度为192.3MPa,接头显微硬度呈"几"字形分布,硬度分布峰值位于焊缝区,接头不同特征区域的硬度差高达60。采取的焊后热处理对焊接接头及母材不仅具有细化晶粒、改善组织均匀性及优化强化相分布的作用,还能削弱拉伸过程中尖锐晶界对接头的撕裂作用,从而达到提高接头性能的目的,表现为:焊后热处理使接头内部显微硬度差为20,接头拉伸断裂于焊核区,抗拉强度达到440 MPa,为未进行焊后热处理接头的2.29倍;焊后固溶热处理的搅拌摩擦焊接头其断裂位置在焊核区及母材的几率大致相同,各占约50%,从而实现了提高搅拌摩擦焊接头性能的目标。     

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。     

TC4钛合金静止轴肩和传统搅拌摩擦焊的温度场对比

基于有限元软件ABAQUS对6mm厚的TC4钛合金传统及静止轴肩搅拌摩擦焊温度场进行了有限元模拟.结果表明,对比传统搅拌摩擦焊接,静止轴肩搅拌摩擦焊接具有较小的高温区,前进方向上具有较大的温度梯度,厚度方向上呈现柱状椭球形分布,上、下表面温度峰值差异较小,具有重叠性较好的热循环曲线.     

镁合金AZ31搅拌摩擦焊接温度场数值模拟

针对5mm厚AZ31镁合金搅拌摩擦焊接过程进行三维有限元传热分析，并推导搅拌摩擦焊接(FSW)产热的数学模型，计算FSW过程不同时刻和不同位置温度分布。计算结果表明：起焊时有一个预热作用，预热对搅拌摩擦焊接过程有利；搅拌摩擦焊接过程中准稳态时最高温度为460℃左右，低于镁合金的熔化温度，属于固相连接。温度场测量结果显示：计算结果与测量结果较吻合，说明温度场模型的建立基本符合搅拌摩擦焊接过程。     

超声喷丸强化搅拌摩擦焊接接头性能

采用超声喷丸焊后处理工艺分别对7075-T651铝合金母材及搅拌摩擦焊焊接接头进行了处理,并与其原始状态进行了疲劳对比试验。对比疲劳性能试验结果证明该处理技术可用于提高7075-T651铝合金母材及搅拌摩擦焊焊接焊接接头试件的疲劳性能。     

铝合金FSW过程中搅拌针前缘金属周期性流动行为研究

利用高速摄像技术研究了搅拌摩擦焊过程中不同工艺参数条件下搅拌工具与被焊材料之间的相对运动,并结合焊核区金属组织形貌对搅拌针前缘金属流动行为进行分析.结果表明在搅拌摩擦焊接过程中搅拌工具与被焊接板材之间的相对运动存在着明显的周期性现象.并且搅拌针对其前缘金属作用的一个周期可分为两个阶段即平台阶段和进给阶段.在进给阶段前缘金属流动方式主要以整体流动的方式进行.