从电阻点焊(RSW)到摩擦点焊(FSW)——铝合金车身焊接装配新工艺

面对节能减排和环境保护要求,汽车工业大量采用新材料和新工艺。以铝合金车身替代传统钢结构车身是当前实现"减重节能"的有效技术途径。然而传统焊接工艺无法经济有效地实现铝合金薄板连接装配,以固相连接机理为特征的摩擦搅拌点焊(FSW)以其可靠性和环保性优势,成为工业化大生产环境下替代传统电阻点焊(RSW)的经济可行的绿色新工艺。本文介绍了摩擦搅拌焊的固相连接机理,阐述了两类摩擦点焊的工艺原理,并举例说明其在国外汽车工艺的发展应用状况。     

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。     

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。     

搅拌摩擦焊瞬态温度场的数值模型

搅拌摩擦焊温度场数值模拟工作多侧重于产热模型及温度场分布规律等方面的研究,关于数值模型及其计算效率方面的报道相对较少。对AL6061-T6铝合金板材搅拌摩擦焊接过程瞬态温度场进行了模拟,对数值模型的相关问题进行了研究。在保证模拟结果与实验结果相符合的前提下,为提高计算效率,给出了合理的模型尺寸;分析了网格尺寸对温度场的影响;探讨了网格分区划分方案;分析了轴肩与搅拌针产热分配对温度场的影响。结果显示:模型宽度随板厚增加线性增大,而模型宽度与轴肩直径的比值随板厚的增加线性减小;有限元网格尺寸为1 mm时能有效地模拟温度场;焊缝中心处轴肩直径范围内的网格应当细化;合理的轴肩与搅拌针产热比例分别为75%和25%。     

搅拌摩擦焊瞬态温度场数值模型的讨论

搅拌摩擦焊温度场数值模拟工作多侧重于产热模型及温度场分布规律等方面的研究,关于数值模型及其计算效率方面的报道相对较少。本文对AL6061-T6铝合金板材搅拌摩擦焊接过程瞬态温度场进行了模拟,对数值模型的相关问题进行了研究。在保证模拟结果与实验结果相符合的前提下,为提高计算效率,给出了合理的模型尺寸;分析了网格尺寸对温度场的影响;探讨了网格分区划分方案;分析了轴肩与搅拌针产热分配对温度场的影响。结果显示：模型宽度随板厚增加线性增大,而模型宽度与轴肩直径的比值随板厚的增加线性减小;有限元网格尺寸为1 mm时能有效地模拟温度场;焊缝中心处轴肩直径范围内的网格应当细化;合理的轴肩与搅拌针产热比例分别为75%和25%。     

基于热源模型7075铝合金搅拌摩擦焊接机理分析与研究

在搅拌摩擦焊接过程中,温度场对焊缝质量至关重要。文中就搅拌摩擦焊接过程建立了温度场变化模型,利用7075铝合金材料,基于ABAQUS有限元分析软件对该模型进行了仿真分析,并利用多组参数进行了对比实验,结果表明:(1)基于热源模型得到焊接工艺参数基本与实际相符。(2)当焊接速度越大时,焊缝周边母材发热越少,特征点温度变化越快,远离焊缝中心的母材温度越低,对焊缝处母材质量影响更少。仿真分析结果与实际焊接工艺参数相匹配,基于热源模型对材料搅拌摩擦焊接机理的研究具有一定的应用价值。     

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。     

7075铝合金拉伸残余应力数值模拟及实验测试

对7075铝合金板材淬火过程进行温度场和应力场的直接热力耦合数值模拟,获得淬火残余应力分布规律,在此基础上开展基于等向强化Mises屈服准则和Prandtl-Reuss塑性流动增量理论的铝合金拉伸过程数值模拟,仿真不同拉伸率对内部残余应力的消除效果,采用盲孔法对铝合金淬火及不同拉伸量拉伸后残余应力进行实验测量,结果表明对于厚12 mm的7075铝合金试件最优拉伸率为1.0%。同时根据不同拉伸率拉伸后铝合金板材残余应力分布规律的变化趋势可以看出,以不同拉伸率拉伸后铝合金板材表面和内部残余应力的消除效果具有相同的变化趋势。     

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.     

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.     

3 mmLY12与10 mmLF2搅拌摩擦焊温度场模拟分析比较

根据搅拌摩擦焊的具体焊接过程,利用ANSYS有限元分析软件,模拟3mmLY12薄板和10mmLF2厚板焊缝区的准稳态温度场.对比分析不同板厚、不同材质的铝合金焊缝区温度分布的不同状况,从而得到焊材本身的物性参数以及焊接参数对温度分布的影响情况,最终确定影响搅拌摩擦焊温度场的主要因素.模拟结果显示,3mmLY12温度场呈碗状,10mmLF2温度场呈花瓶状.通过模拟温度场结果与焊缝区组织的比较,验证了不同的温度场与不同焊缝组织的对应关系.     

转速对异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸变化规律的影响

近年来,国内外对异种金属搅拌摩擦焊的研究现状进行了总结。重点对异种材料搅拌摩擦的特点、应用及其组织演化特征进行归纳和分析。该文建立了异种材料搅拌摩擦焊界面缺陷演化模型,通过有限元模拟搅拌针不同转速下异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷演化过程,阐述了转速对异种材料搅拌摩擦焊界面微孔缺陷尺寸变化规律,特别是以2024与7050铝合金模拟异种材料搅拌摩擦焊过程中界面微孔缺陷的演化过程以及尺寸变化规律。     

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。     

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.     

焊接参数对FSW温度场和接头力学性能的影响

对5mm厚2Al2铅合金板进行了搅拌摩擦焊接工艺试验,测量了焊接过程中的温度分布,并对焊接接头进行了拉伸试验,分析了焊接工艺参数对温度场和接头抗拉强度的影响。试验表明,焊接参数直接影响焊接过程温度场的分布;大部分焊接件的强度都能达到母材强度的90％以上,即使接头出现隧道型缺陷强度也能够达到母材强度的75％以上,效果明显优于传统的焊接方法。     

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...     

搅拌摩擦加工制备SiCp/铝基复合材料增强相流动性的数值模拟

利用流体软件ANSYS-FLUENT建立三维搅拌摩擦加工的热与塑性流动模型,利用UDF编程对软件进行二次开发,模拟搅拌摩擦加工制备SiCp/铝基复合材料增强相颗粒的流动性,结果表明:搅拌摩擦主要的产热区域为搅拌头轴肩,远离搅拌头的区域温度降低,温度场关于加工中心线并不对称,前进侧的温度高于后退侧,搅拌头前部温度低于后部,温度梯度前部大于后部;模拟流场时发现塑性金属流动速度大小与温度高低有直接关系,轴肩边缘处材料的塑性流动速度最大,横截面流场呈"锅状"分布;根据搅拌摩擦加工过程建立追踪第二相粒子的DPM模型,轴肩作用区有少量增强相粒子越过中心线向后退侧分布,由于加工中心区域下部搅拌针作用较弱,增强相多分布在开槽位置处,但增强相颗粒整体分布于前进侧.     

LY12铝合金的搅拌摩擦焊接工艺研究

根据摩擦搅拌焊接(FSW)的固相塑性连接工艺特点,在FSW焊机上进行大量的LY12铝合金连接试验.针对接头成型特点、微观组织及力学性能等,研究了焊接规范参数对于焊缝成型的影响,确定了最佳焊接参数.结果表明,当转速在1050r/min时,随焊速增加,接头强度下降;在焊速20～60mm/min内焊接时,接头强度下降不很明显,因此在此范围内均可得到强度较高的接头.其中焊速在20mm/min时可得到强度最高的接头,其强度值为320MPa,是母材强度的73%,而用常规焊接方法进行连接时强度只有60%～70%.