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.      

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.     

焊接速度对铝合金搅拌摩擦焊接头性能的影响

以厚度3 mm的6061-T6铝合金板材搅拌摩擦焊对接接头为研究对象,建立热力耦合有限元模型,准确模拟了焊接过程的温度场分布及演变规律,采用光学显微观察、电子背散射衍射、显微硬度测量以及拉伸试验等表征方法,研究了焊接速度对焊接接头成形特性、显微组织和力学性能的影响机理.结果表明:接头焊核区在焊接过程中经历了完全动态再结晶,形成细小等轴晶;后退侧热影响区经历了动态回复,晶粒显著长大,晶界强化作用弱于焊核区晶粒;当焊接速度为300～800 mm/min时,接头焊缝成形良好,拉伸断裂均在焊缝后退侧热影响区,在焊接过程中受温度(400～480℃)影响显著,析出强化相溶解导致力学性能明显降低,在此焊接速度范围内,随速度的提高,接头强度增加,最高强度系数为80.86％(800 mm/min);当焊接速度进一步增加至1200 mm/min时,接头的焊接成形性变差,焊核区出现未焊合和隧道缺陷,接头拉伸试验时在焊核区发生断裂.     

7050铝合金搅拌摩擦焊接头的热稳定性

5 mm厚7050铝合金搅拌摩擦焊接头在490℃固溶处理1 h,利用光学显微镜观察接头微观组织,研究接头焊核区组织的热稳定性.结果表明:焊核区的热稳定性与焊接参数有关,当以转速200 r/min,焊速20 mm/min的参数焊接后,焊核区组织稳定.而以转速600 r/min,焊速分别40、50 mm/min的参数焊接后,接头焊核区部分晶粒出现异常长大,热-机影响区与焊核区的交界面、焊核区根部是组织不稳定的源头.     

新型热处理工艺对搅拌摩擦焊接头性能的影响

为了抑制焊后热处理过程中搅拌摩擦焊(FSW)接头晶粒异常长大(AGG)现象的发生、保证接头的强韧性,提出固溶-变形-时效一体化的新型焊后热处理工艺。该工艺以2024-O铝合金FSW接头为研究对象,在450℃保温40min后水淬至室温,然后冷拉伸变形,并于190℃人工时效处理。经光学显微镜观察发现,450℃固溶处理能够显著抑制接头AGG现象的发生。固溶后冷变形结合后续人工时效处理工艺,接头力学性能明显改善,接头显微硬度和强度随着冷变形量的增加而不断提高,当变形量为10%时,接头的硬度和强度值达到最大。由于接头没有发生AGG,焊缝细小的等轴晶和析出相使得新型焊后热处理FSW接头的强度、硬度和塑性均高于传统固溶时效热处理接头。     

搅拌摩擦焊研究现状及创新设想

搅拌摩擦焊是近二十年来新兴的焊接技术,和传统焊接技术相比,具有高效和环保的优势。同时由于是固相连接,可以有效解决以往难焊甚至不能焊的金属,使得我国在航空、航天和船舶等领域的制造水平大幅提升。本文就搅拌磨擦焊的基本原理,揭示了其研究现状,主要是焊接设备的现状,并对未来的发展趋势做一些探讨,希望可以拓展思路,更加深入的开展对该技术的应用。     

搅拌摩擦焊技术在航空航天工业中的应用

搅拌摩擦焊技术是一种新型的固态连接技术。在焊接过程中无烟雾、无飞溅、无弧光、无辐射,是一种绿色、环保的低能耗新工艺。具有焊前不需要开坡口,可以节省焊前准备工时、不需保护气、不需填充材料、接头变形小、易实现自动化的优点,在航空航天工业领域中具有巨大的技术潜力和广阔的市场应用前景。     

冷却条件对2519A铝合金搅拌摩擦焊焊缝性能的影响

采用搅拌摩擦焊焊接厚度为2.75 mm的2519A铝合金板材。分别研究在空气和水流中冷却对焊接性能和焊缝组织的影响。实验结果表明:在旋转速度为2 700 r/min,焊接速度为60 mm/min条件下,水冷焊接得到美观并无明显缺陷的接头,提高了接头强度,抗拉强度达到340 MPa;在水冷条件下,热影响区的范围变窄,热影响区平均硬度提高,焊核区晶粒粒度比空冷条件下的更加小,硬度几乎呈直线分布;而在空冷条件下,焊核区硬度呈先上升后下降趋势,变化明显,水冷焊核区平均硬度低于空冷条件下平均硬度,这是因为空冷焊接能够提高固溶度并促进随后的时效发生。     

导电摩擦焊热源行为及其对工艺过程的影响

在对导电摩擦焊热源进行研究的基础上，建立了相应的传热方程，通过理论计算和实际测试，提示了导电摩擦焊热源的特征和导电摩擦焊工艺过程的特点。     

Al-Li合金搅拌摩擦焊技术的研究进展

Al-Li合金因其低密度、高比强度、高比刚度等优点,在航空航天领域得到了广泛的应用。作为新型的固态焊接技术,搅拌摩擦焊（friction stir welding,FSW）技术为Al-Li合金的工业化应用带来了新的发展前景。综述了近年来主要Al-Li合金（包括Al-Li-Cu、Al-Cu-Li、Al-Mg-Li）FSW技术的大致研究进展,总结了FSW工艺参数及后热处理工艺参数对焊接接头显微组织及力学性能的影响规律,并展望了未来的发展方向。     

6005A合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究

对6005A—T6铝合金FSW接头、母材以及MIG焊接头进行了疲劳性能试验对比研究。结果表明,FSW接头的抗拉强度约是母材抗拉强度的82．5％;MIG焊试样的抗拉强度约是母材抗拉强度的73．4％。当循环周次N〉10^7时,FSW试样的疲劳强度值接近于母材,约为母材疲劳强度值的93％,而MIG焊试样的疲劳强度值仅为母材的67％。FSW接头热影响区的断口疲劳区形貌为准解理和韧窝的组合形貌。准解理型穿晶扩展裂纹与FSW接头热影响区中原母材枝晶结构有关,断口扩展区形貌为韧窝状形貌。     

铝合金水冷电机外壳的搅拌摩擦焊工艺流程

电机在提供动力的同时会产生大量的热量;一般采用铝合金水冷电机外壳为电机降温来保证其使用寿命。铝合金水冷电机外壳采用焊接的方式来保证其水道的密封性。与传统的熔化焊相比,搅拌摩擦焊方法以及合理的焊接工艺能够有效地减少焊接缺陷、降低热输入、提高产品的一次合格率。搅拌摩擦焊工艺过程可在此类铝合金产品中推广应用,为此类产品在后续新能源领域的发展提供坚实的基础。     

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.     

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.     

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%。     

LF21铝合金薄板搅拌摩擦焊组织与性能

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为1.4 mm的LF21铝合金薄板进行单道对接焊实验。实验结果表明:在旋转速度为1 500 r/min,焊接速度为100~180 mm/min时,均可获得较好的焊接性能,焊缝的抗拉强度在125~134 MPa之间,焊接强度系数为基材强度的78%~83%,说明该铝合金薄板采用搅拌摩擦焊方法的焊接适应性好。硬度测试结果表明焊缝发生了软化,其软化区宽度约为25 mm。在焊接热循环的作用下,锰在焊缝区沿轧制方向析出并聚集成较粗大的脆性MnAl6化合物,降低了焊缝的抗拉强度。     

试件形状对铝合金摩擦叠焊成形的影响

为了研究不同试件形状对铝合金摩擦叠焊单元成形的影响,选取7075铝合金为试验对象,使用ABAQUS有限元软件,对摩擦叠焊单元成形这一复杂的热力耦合过程进行数值模拟,在将其简化为二维轴对称模型的基础上,采用FRIC子程序和网格重划分技术进行分析.对比温度云图、变形情况以及应力分布,结果表明:试件形状能够影响焊接缺陷产生的以及缺陷的尺寸;相对于焊棒形状,焊孔形状对焊接缺陷产生的影响更大,直角焊孔对塑性金属的流动阻碍作用最大,倒角焊孔次之.圆角焊孔阻碍作用最小,更容易得到较好的焊接质量.