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。     

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。     

搅拌工具与垫板对搅拌摩擦焊温度场影响的数值分析

采用ABAQUS/Explicit模块建立了搅拌摩擦焊接(FSW)的完全热力耦合三维计算模型,研究了10mm厚7050铝合金FSW过程中,不同材料的搅拌工具与垫板对焊接温度场演变的影响.研究结果表明:不同材料的垫板与搅拌工具对焊接温度场有一定的影响;通过搅拌工具与垫板的热传导是热量散失的主要方式;在焊接过程中,随着垫板换热系数的增加,工件上下表面各等温线以搅拌工具为中心向内明显收缩.     

7050铝合金搅拌摩擦焊接头软化区温度检测

通过搅拌摩擦焊接头硬度测试,确定了焊缝两侧软化区分布区域;在软化区埋设热电偶,进行搅拌摩擦焊接实验,检测不同测温点的热循环曲线。将焊后接头进行硬度测试,确定硬度最低点位置,对应测温孔分布位置,获得软化区硬度最低点热循环曲线。     

2219铝合金拉拔式摩擦塞焊数值模拟

基于有限元（FEM）基础理论,建立了拉拔式摩擦塞焊（FPPW）二维轴对称热-力耦合模型,对FPPW焊接过程中的焊接温度场、塑性流动进行数值模拟。研究结果表明,因界面处摩擦热向外部环境散失,焊接初始阶段的界面温升速率高于准稳态阶段。试板侧温度梯度高于塞棒侧,热量易在塞棒侧进行集中;材料强度和变形抗力随温度和应变上升而下降,试板上壁面优先形成摩擦界面并先于下壁面出现塑性金属流动形成飞边,下壁面材料待充分软化后方才出现塑性金属流动;FPPW焊接过程达到准稳态阶段后,焊接界面处应力状态呈中心压应力、两侧拉应力分布,拉应力驱动了上、下壁面处焊接飞边的成形。模拟结果与实际结果一致。     

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。     

2A14-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场及黏流层数值模拟分析

针对2A14铝合金搅拌摩擦焊过程,基于CEL数值模拟方法,采用Pressure Independ Multiyield Material模型,进行了不同搅拌头旋转速度与焊接速度条件下温度场有限元模拟分析。根据温度场分布分析了不同工艺条件下搅拌头前端黏流层厚度变化规律。依据搅拌摩擦焊过程中流变层工艺要求与黏流层模拟厚度,预测了不同工艺条件下的焊接质量,进而提出了2A14铝合金搅拌摩擦焊工艺参数控制准则。     

回填式搅拌摩擦点焊过程温度场的数值模拟

根据回填式搅拌摩擦点焊的连接机理,合理的温度场是获得高性能接头的基础;根据回填式搅拌摩擦点焊过程的特点,利用有限元分析软件MSC.Marc建立了焊接过程的有限元模型;在利用测温试验验证有限元模型正确性的基础上,利用数值模拟的方法对7075–T6铝合金焊接过程中的温度场进行研究。结果表明:在预热阶段,温度峰值随摩擦时间的增加呈现先快速后缓慢上升的趋势,在8s左右趋向稳定;在焊接阶段,温度峰值始终位于套筒端面的中心附近,且最大值出现在套筒回抽1s时,同时提高搅拌工具的旋转速度可增加焊接过程的温度最大值。     

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。     

7050铝合金搅拌摩擦焊接头组织特征研究

针对7050铝合金搅拌摩擦焊接头,给出各组织特征区的定义,并对各特征区的组织状态、晶粒大小、沉淀强化相分布等进行深入的分析。为同材质的铝合金搅拌摩擦焊接头的综合性能评估提供更好的依据。     

薄壁铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能

对2mm厚的LY12铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,对接头的微观组织和力学性能进行了分析.结果表明:当搅拌头旋转速度1000r/min、焊接速度200r/min时,焊核区为细小均匀的等轴晶,晶粒大小在2～6μm之间;热机影响区晶粒沿流线方向被拉长,前进侧比后退侧晶粒变化明显.焊缝成形良好,接头抗拉强度为438.72MPa,...     

热源同轴辅助搅拌摩擦焊热过程数值分析

针对空间环境焊接修复与组装需求,提出热源辅助固相焊接方法,以避免高真空与微重力空间环境的不利影响。该辅助热源采用激光同轴加热中空搅拌头,间接为焊缝提供热输入。在对激光束于搅拌头小孔中的反射与吸收行为进行分析的基础上,建立复合焊接热源模型,对复合焊接过程温度场进行了数值计算。分析结果表明,加入激光辅助热源能将焊缝最高温度从394℃提高到511℃,激光热量主要加热搅拌针周围的材料,具有局部加热的特点;在相同条件下,辅助热源提高了焊接热输入,焊缝金属软化程度增加,为降低焊接作用力和提高焊接速度提供条件;仿真结果与实测结果对比的一致性说明复合焊接分析模型能够用于预测焊接过程的温度场,为优化工艺参数提供理论依据。     

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].     

2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头疲劳性能与寿命预测

通过实验观察2024-T351铝合金搅拌摩擦搭接焊接头焊缝附近区域的焊缝横截面形貌及金相组织。观察表明搅拌摩擦搭接焊接头前进侧与后退侧存在形状不对称的钩状缺陷。将搅拌摩擦搭接焊接头在MTS材料实验机上进行恒幅疲劳加载,得到名义应力幅S-N曲线。根据实验结果建立搭接接头的弹塑性有限元模型,利用SWT疲劳损伤公式和应力集中区域循环应力应变有限元分析结果数据,预测搭接接头疲劳寿命,并将寿命预测结果与实验结果进行对比。结果表明:在低周疲劳寿命范围内,采用SWT疲劳损伤公式对搅拌摩擦搭接焊接头的预测结果与实验结果接近,误差均在2个因子内,但对高周疲劳寿命的预测结果存在较大误差。分析表明,搭接接头的应力集中程度比有效厚度对疲劳寿命的影响更大。     

激光喷丸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头的影响

以7075铝合金试样的搅拌摩擦焊接头为对象,利用激光喷丸和常规喷丸工艺对其进行后续处理,通过试验对比分析了激光喷丸工艺对表面粗糙度、显微硬度、接头残余应力、裂纹扩展、疲劳寿命的影响。结果表明,经激光喷丸处理的搅拌摩擦焊接头的表面粗糙度远小于常规喷丸处理的接头表面,而对接头显微硬度的影响差异不大。激光喷丸可改变接头的残余应力分布,是增强搅拌摩擦焊接头抗疲劳性的有效方法,对其他焊接接头及构件的激光喷丸处理具有一定的参考价值。     

列车制造搅拌摩擦焊接技术和应用

本文在简要介绍搅拌摩擦焊技术特点的基础上,对轻质铝合金列车制造中所采用材料的焊接性能及中空型材结构搅拌摩擦焊接头的设计特点进行了研究,并且对搅拌摩擦焊技术在中国列车制造中的典型应用和相关搅拌摩擦焊设备开发进行了介绍和总结。     

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°。     

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.     

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.