7075铝合金搅拌摩擦焊模拟与实验研究

搅拌摩擦焊解决了7075铝合金难焊接问题,但焊接过程中复杂的温度、流场变化容易造成焊缝缺陷.本文利用FLUENT软件模拟研究了7075铝合金焊接过程温度场与流场的变化规律,并对模拟结果进行了验证.结果表明:前进侧焊接温度高于后退侧,但其材料流速低于后退侧,焊缝最高温度出现在轴肩边缘内侧.搅拌头转速越大,焊接速度越小,则焊接温度越高;搅拌头转速越大,材料流速越快,焊接速度对材料流速影响越小.在本文实验条件下,在转速-焊接速度为800r/min-100mm/min 时,可得到无缺陷焊缝.     

搅拌摩擦焊技术应用与研究

 在搅拌摩擦焊技术发展的10余年间,从最初的铝合金焊接发展到多种金属轻合金和非金属材料的焊接,因其固相连接的技术优势得以迅速推广。文中对搅拌摩擦焊技术研究的成果与主要研究方向予以阐述,总结了焊接材料、搅拌头结构与材料、金相组织结构与力学性能、运动学和动力学模拟,以及焊接工艺与设备研究现状与应用前景。对于焊接材料研究,已经涉及具有高温流动塑性的金属和非金属材料;各类焊接材料与搅拌头结构及焊接工艺参数的工艺数值优化也在不断规范;金相组织结构与力学性能的研究则为焊接机制研究及搅拌摩擦焊的推广应用提供理论依据;运动学和动力学模拟作为焊接工艺参数优化手段得以广泛使用;搅拌摩擦焊设备的研制国内已经起步,并由单一的固定式搅拌摩擦焊机向多种类型、智能虚拟化方向发展,为搅拌摩擦焊的推广奠定基础。随着搅拌摩擦焊技术研究和应用的深入,对连接技术的发展产生巨大的冲击和推动,特别是航天航空领域的应用,必将带动搅拌摩擦焊技术在国民经济各行业装备制造过程中的迅速发展,具有非常光明的应用前景。     

搅拌摩擦焊搅拌头疲劳失效的模拟研究

利用ANSYS Workbench与ANSYS nCode Designlife分别建立了搅拌摩擦焊过程搅拌头的静力学与疲劳模型. 结合搅拌摩擦焊过程中搅拌头受到的作用力载荷谱,以及推导出的搅拌头扭矩的计算公式,讨论了前进阻力、侧向力、下压力和扭矩对搅拌头疲劳寿命的影响. 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,造成搅拌头疲劳失效主要发生在搅拌针根部. 前进阻力是造成搅拌头疲劳失效的主要原因,侧向力及扭矩对疲劳失效的作用则比较小,下压力对于搅拌头的疲劳寿命的增加有利.      

6mm厚货车用铝合金板摩擦搅拌焊试验研究

摩擦搅拌焊技术已成为铝合金焊接的重要手段。针对5052和6061-T6两种6 mm厚铁路货车使用的铝合金板材,采用摩擦搅拌焊设备进行焊接试验;并进行了相关检测,研究不同工艺参数对焊接质量的影响。结果表明:提高搅拌头的转速和降低焊接速度有利于降低设备的主轴轴向受力。在低转速时,摩擦搅拌焊的焊接质量较差,焊缝结构疏松,容易出现焊缝缺陷;当转速提高到1 200 r/min时,热输入能量适中,焊缝表面光滑明亮,表观质量良好。由焊缝表观可以发现,提高焊接进给速度后,焊缝表面光亮度下降,纹路变得明显,表面变得粗糙;在较高的搅拌头转速下以不同焊接速度进行焊接,其焊缝内部基本无可见缺陷,质量良好;在相同的搅拌头转速和焊接速度下,6061-T6铝合金板焊接过程中主轴压力略低于5052铝合金板。     

搅拌头形状对搅拌头受力和温度的影响

为优化设计搅拌头,分别选用不同形状的搅拌头进行搅拌摩擦焊接,研究搅拌头形状对搅拌头受力及温度的影响.实验采用三维测力系统和红外测温装置对搅拌头下压力和温度进行同步动态测量,得到搅拌头形状的影响规律.结果表明:凹陷型轴肩受力明显要高于平台型轴肩,锥形搅拌针受力大于柱形搅拌针;凹陷型轴肩产热优于平台型轴肩,锥形搅拌针产热优于柱形搅拌针;搅拌头形状对焊缝区形貌也有较大影响,凹陷型轴肩比平台型轴肩更有利于金属流动,焊缝区过渡平滑,锥形搅拌针比柱形搅拌针焊缝区平滑且前进侧和返回侧更对称.     

7075-T6合金超声辅助搅拌摩擦焊接头搅拌区组织与力学性能

搅拌区的金属流动不充分容易导致轴肩影响区与搅拌针影响区之间的过渡区出现疏松缺陷并恶化接头的力学性能.在不同焊接参数条件下,对7075-T6铝合金分别进行常规搅拌摩擦焊接(FSW)和超声辅助搅拌摩擦焊接(UAFSW),研究了超声振动对接头搅拌区的金属流动行为、微观组织特征和力学性能的影响.结果表明:相同焊接参数下,UAFSW接头搅拌区的力学性能均优于FSW接头.焊接参数为1000r/min-110mm/min 的UAFSW接头搅拌区的抗拉强度和延伸率最高,分别达到515MPa和17.3%.在搅拌摩擦焊接过程中施加轴向超声振动可以显著降低搅拌区金属的屈服应力和流变应力,促进塑化金属沿板厚方向的流动.消除搅拌区中过渡区的疏松缺陷,并细化微观组织,是接头力学性能提高的主要原因.     

半固态搅拌摩擦焊温度场分析及组织验证

为避免由材料流动不足而导致的焊接缺陷以及降低焊接过程中的作用力,提出了半固态搅拌摩擦焊. 本文以2024-T3铝合金为研究对象,进行了焊接过程中温度及显微组织分析. 温度的模拟及测量结果表明:当搅拌头的旋转速度为1600r·min-1、焊接速度为150mm/min时,稳态时焊核区的温度峰值达到了518℃,超过了焊材的固相线. 空冷条件下常规搅拌摩擦焊与水冷条件下的半固态搅拌摩擦焊焊核区的显微组织对比结果表明,利用搅拌头摩擦产热的方法可使搅拌区呈现液态金属母液中均匀悬浮着近似球形晶粒的半固态组织.      

防锈铝搅拌摩擦焊接超塑性行为研究

新型的搅拌摩擦焊接工艺通常通过焊接参数的设置使材料达到塑性状态从而实现连接。而超塑性变形比塑性变形应力更低,变形量更大,更加有利于材料的加工。本文通过对防锈铝搅拌摩擦焊接头焊缝金属的高温拉伸试验,探讨了搅拌摩擦焊接头焊缝金属的超塑性行为,以期望选择合适的参数来使材料达到超塑性状态,形成良好的接头。试验结果表明:在450℃,夹头速度为0.6mm/min的情况下得到的最高延伸率为91%。从应力应变曲线初步计算得到m值为0.534。可以初步判定,在450℃附近,有超塑性现象。本研究的成果可应用于有色金属材料搅拌摩擦焊接参数的优化,深入研究其接头形成机理以及与其相关的技术理论,推动搅拌摩擦焊接技术的发展。     

搅拌摩擦焊工艺参数对超薄铝合金板/高强钢搭接焊接头组织及性能的影响

采用复合式搅拌头对0.7 mm厚6010铝合金板和2.0 mm厚DP600钢板进行搅拌摩擦搭接焊,在不磨损搅拌头的同时获得了性能优良的焊接接头。研究了不同焊接工艺参数对铝合金/高强钢焊接接头界面结构及力学性能的影响。结果表明,在搅拌针未进入钢板的情况下,顶锻力是搅拌摩擦焊过程中的关键参数,存在一个实现铝合金/高强钢异种材料搅拌摩擦搭接焊的最小顶锻力。在恒定顶锻力5.0 kN,转速1 200 r/min的焊接条件下得到了最佳性能的焊接接头,拉伸强度达到260 MPa,且断裂发生在铝合金母材区。铝合金/高强钢界面存在一层厚2.0 μm的过渡层。     

FSW中搅拌针作用力及其影响的研究

针对LY12硬铝合金,研究了搅拌摩擦焊焊接中搅拌针与被焊金属间力的作用对整个焊接过程的影响.搅拌针与被焊金属之间的力通过影响产热机制和金属流动来影响焊接质量.通过测量焊机上驱动水平工作台运动的电机的相关数据间接测量焊接过程中搅拌针与被焊金属之间的作用力,得到搅拌针与被焊金属之间的作用力与焊接工艺之间的影响关系是:搅拌针与被焊金属之间的作用力在焊速一定的情况下随着摩擦头转速的提高而减小,在摩擦头转速一定的情况下随着焊速的增大而增大.同时结合有关影响搅拌摩擦焊焊接质量的因素,确定了3 mmLY12铝合金的最佳焊接工艺.     

7022铝合金搅拌摩擦焊焊接区的组织与力学性能

以厚度为10mm的7022铝合金为对象进行搅拌摩擦焊接试验,研究了搅拌摩擦焊工艺参数对接头组织和力学性能的影响.结果表明:焊接接头具有良好的力学性能,在搅拌头转速为400r/min、焊接速度为100mm/min时,7022铝合金的搅拌摩擦焊接头抗拉强度和屈服强度分别达615MPa和533 MPa,均超过了母材;焊接接头的显微硬度略低于母材;断口形貌分析表明,7022铝合金搅拌摩擦焊接件拉伸断裂为韧性断裂.     

搅拌摩擦焊机控制器的研制

搅拌摩擦焊机控制器的研制是研究FSW技术的关键之一.针对不同材料、不同规格工件时,必须使用不同的规范进行焊接,并且能在一定范围内调节摩擦功率,这也是该焊机所必须具备的性能.论述了以电流限值作为力矩自适应调节的方法,以变频调速技术为基础的主轴转速调节手段,从而保证了摩擦头在较大转速范围内改变且运行稳定,满足了不同板厚时的热量需求.同时利用MCGS软件实现了对焊接参数的控制、读取和显示.实际运行表明,该焊机控制器完全满足了设计要求.     

搅拌摩擦焊接过程温度场动态仿真

推导了一种简易直观的搅拌摩擦焊接热源模型,并将模型应用于焊接过程温度场动态仿真,得到了焊接过程中不同时刻和位置处的热循环曲线,确立了温度场在时间和空间上的分布规律,并研究了不同焊接工艺参数时的温度场.结果表明:焊接最高温度为496.5℃,低于铝合金的熔点;沿焊缝不同位置处的温度值依次从初始温度迅速升高到最高温度500℃左右,然后又缓慢回复到初始温度附近;离焊缝越近,温度升高得越剧烈,最高温度越高;焊接工艺参数对搅拌摩擦焊接过程温度场影响显著.     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊负载测量分析

利用测力传感器对6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程中的Z向负载进行了测量,研究了搅拌摩擦点焊过程中不同焊接工艺参数(轴肩转速、搅拌针转速、扎入/回抽时间和扎入深度等)对负载的影响.结果表明,铝合金搅拌摩擦点焊试验中负载曲线可分为压紧环下压区、轴肩扎入区、搅拌针回填区和搅拌头卸载区四个部分.试验负载随轴肩(或搅拌针)转速的增大出现波动下降的趋势;焊接负载随轴肩扎入/回抽时间的增加而逐渐降低;焊接负载也随轴肩扎入深度的变化而变化,但没有发现特定影响规律.     

多道次搅拌摩擦加工对5083-O铝合金组织性能的影响

在不同轴肩直径、搅拌头转速和搅拌头行进速度下,对27mm厚5083-O铝合金进行了多道次搅拌摩擦加工(multi passfrictionstirprocessing),搭接率为100%,共进行3道次搅拌摩擦加工.研究结果表明,加工区由细小的再结晶组织组成;随着加工道次的增加,加工区内部缺陷体积减少,晶粒进一步细化,析出相细化并均匀分布,力学性能提高,加工区最高抗拉强度可达360MPa,延伸率也优于母材;其中,第二道次加工对材料组织和性能的影响最为明显.     

搅拌摩擦焊接Cu-Al接头组织及焊缝质量分析

利用搅拌摩擦焊(FSW)对纯铝和T2紫铜进行对接焊接时,为了获得最优工艺参数,提高焊缝质量,本研究采用不同固定位置、不同转速和不同偏移量下,Cu-Al异种材料FSW对接焊接的工艺过程。结果表明:当Cu板固定在前进侧时,在搅拌头旋转速度为1 000 r/min、焊接速度为100 mm/min、偏向铝侧2 mm的工艺参数下,可以获得高质量焊缝,焊接工艺参数与焊缝表面形貌、力学性能和微观组织以及焊缝质量密切相关。该工艺参数下焊缝的强度、硬度等力学性能基本接近于母材。通过对本研究焊缝微观组织的分析发现,焊核区晶粒发生动态再结晶并获得细化的等轴组织,热机影响区受搅拌头作用扭曲变形,晶粒沿塑材流动方向纤维化,热影响区受温度梯度影响较母材区晶粒粗大化。     

基于神经网络BP算法的7075-T651铝合金搅拌摩擦焊焊接接头疲劳寿命预测

在对航空用5 mm厚7075-T651铝合金搅拌摩擦焊焊接接头进行低周疲劳实验研究的过程中,通过实验数据的获取,建立基于人工神经网络BP算法的搅拌摩擦焊焊接接头疲劳寿命预测模型.利用该网络模型对不同工艺参数下焊接接头的疲劳寿命进行预测.预测值和实验值比较表明,预测数据与实验数据吻合良好.该模型的建立为铝合金搅拌摩擦焊焊接接头疲劳寿命研究节省了时间.     

2219-T87超声辅助搅拌摩擦焊接头组织与性能

为了研究超声辅助对2219铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响,采用超声辅助搅拌摩擦焊方法对3mm厚2219-T87铝合金板进行对接焊试验.对接头进行微观组织分析、力学性能测试、三维应变测试、断口扫描及XRD实验分析.结果表明,在搅拌摩擦焊接过程中加入高频超声振动,焊缝抗拉强度提高了8.48%,断裂应变提高了9.25%,同时有效改善了焊接接头微观组织的上下不均匀性,增大了焊缝底部横截面尺寸,对焊缝底部缺陷有明显的抑制作用,且通过XRD试验,发现在搅拌摩擦焊过程加入超声后,由于焊接温度的下降,使得强化相θ″相与θ′相长大聚集程度下降,同时粗大的θ相粒子聚集程度降低,使焊缝综合力学性能得到提高.     

2219铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究

借助于有限元仿真软件ANSYS模拟仿真2219铝合金搅拌摩擦焊接过程,得到在焊接准稳态阶段不同时刻和位置处的温度情况,确立了温度场在时间和空间上的分布规律.结果表明,焊接的最高温度为525℃,低于铝合金熔点.在试验中采用仿真所使用的焊接工艺参数,得出的焊缝表面质量较好,没有出现背部间隙及未焊透缺陷.在整个试验过程中,试验测得的工件温度变化与仿真模拟的结果误差小于5%.在进行试件的力学性能试验中,试件的抗拉强度达到母材的74%,均高于其它的焊接方式.所采用的焊接工艺参数对实际焊接6mm厚的2219铝合金具有借鉴作用.     

智能化搅拌设备

根据工程机械智能化的发展趋势和搅拌设备的工作特点,分析了搅拌设备智能化的关键技术,认为机电液信一体化的硬件条件、可靠的作业过程动态控制和管理软件,是实现搅拌设备智能化的必要条件;在分析搅拌过程和拌筒模型化的基础上,讨论了搅拌设备智能化的主要研究任务和方法。结果表明,具有对不同作业材料和作业工况的适应能力,保证搅拌质量和效率最佳,是搅拌设备智能化的核心技术。