搅拌针形状对搭接焊缝界面迁移的影响

采用搅拌针长度相同而形状不同的搅拌头对3mm厚的LY12CZ铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验。结果表明,表面带有螺纹的搅拌针使板材间的搭接界面在厚度方向上发生迁移,左螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向下迁移,在搅拌针端部积聚,挤压周边金属向上运动,导致搭接界面向上迁移;右螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向上迁移,在搅拌针根部积聚并受轴肩作用,挤压周边金属向下运动,导致搭接界面向下迁移。若搅拌针表面是光滑的,搭接界面在厚度方向上的迁移减小,但返回边界面向焊缝中心延伸的程度增大。     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响

采用四种不同形状搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦焊试验,研究了搅拌针形状对LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响.结果表明:通过改变搅拌针形状可以改变焊缝塑化金属的流动行为及结合面材料的破碎程度,从而影响S曲线的形成.当焊接参数一定时,在光面搅拌针中,圆锥光面搅拌针较圆柱光面搅拌针更易形成S曲线;表面带螺纹搅拌针中,圆柱右旋螺纹搅拌针较圆柱左旋螺纹搅拌针更易形成S曲线.搅拌针形状不变,降低焊接速度,可以改善焊缝塑化金属流动性,使结合面材料的分布不连续,S曲线逐渐消失.     

搅拌针锥度和螺纹头数对厚板铝合金FSW焊缝金属迁移的影响

研究了20 mm厚2024-T4铝合金板材在搅拌摩擦焊过程中,搅拌针锥度与搅拌针表面螺纹头数对焊缝塑性金属在搅拌针周围迁移程度的影响.结果表明,随搅拌针螺纹头数增加,搅拌头旋转1圈时搅拌针螺纹所转移的高温金属量增加,焊核中塑性金属在前进边和返回边的轴向上迁移程度增加,宏观表现为焊核高度、宽度和面积增大;搅拌针锥度由25°减少至15°时,焊缝塑化金属量增加,焊核塑性金属在焊缝横截面上横向和轴向的迁移程度都增大,焊核面积增大.采用多头螺纹和较小锥度的搅拌针,可以改善厚板焊接时温度梯度大、焊缝金属流动不充分的问题,保证焊缝冶金质量.     

搅拌针端部形状对FSW接头根部金属流动行为的影响

采用不同端部形状的搅拌针对12 mm厚的6061-T4铝合金进行对接焊,观察了匙孔处不同横截面上焊缝形貌,分析了搅拌针端部形状变化对FSW接头根部金属流动行为的影响.结果表明,FSW焊缝区金属沿焊缝厚度方向上的迁移主要受搅拌针表面螺纹影响,而搅拌针端部锥度对接头根部金属的迁移的影响可分为两个方面,一是脱离螺纹作用的金属向下迁移,二是焊核区金属的向上迁移.搅拌针端面直径影响FSW接头未焊透厚度.随搅拌针端面直径增加,搅拌针可焊板材厚度增大.     

搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响

采用不同表面形状的搅拌针对20 mm厚7075铝板进行焊接,分析其对焊缝金属沿轴向迁移的影响.结果表明,使用圆锥形搅拌针焊接时,随着旋转速度增加,焊核区面积、塑化金属沿两边向上迁移高度先增大后减小,疏松区面积则先减小后增大.同一焊缝中焊核区内塑化金属沿前进边向上迁移高度大于返回边.采用375 r/min旋转速度焊接时获得的焊核区面积、塑化金属向上迁移高度最大,疏松区面积最小.而使用三角平面搅拌针焊接时,瞬时空腔的出现增强了沿焊缝水平方向上"抽吸-挤压"效应,同时改善塑化金属沿轴向上的流动性,导致疏松缺陷消失.     

高速列车用7N01铝合金搅拌头选择及接头性能研究

采用四种不同形式搅拌针的搅拌头对7N01铝合金进行了搅拌摩擦焊试验。结果表明:三平面搅拌针和左旋槽搅拌针可以保证焊缝在材料厚度方向上的尺寸变化均匀,有利于保证焊接接头力学性能的均匀与连续。焊缝两侧塑化金属流动状态不同,前进侧母材晶粒表现为向上运动的拉长变形,而后退侧母材晶粒在水平方向上与焊核晶粒过渡并连接。拉伸试验结果表明,接头具有较好的拉伸性能。     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.     

焊缝金属厚度方向的流动与洋葱瓣花纹的形成

研究了在铝合金薄板与铜箔交替叠加的多层板搅拌摩擦焊过程中焊缝金属的塑性流动行为.结果表明,用带螺纹的搅拌针焊接时,搅拌针周围金属沿螺纹在焊缝厚度方向产生剧烈的流动,在螺纹端部脱离搅拌针并向周围挤压母材,形成实心环形挤压区,与周围母材有明显的界面.洋葱瓣花纹是实心环形挤压区在焊缝横截面上的表现形式.搅拌针表面的螺纹提供金属在焊缝厚度方向流动的驱动力.搅拌头顺时针旋转时,用左螺纹搅拌针焊接的焊缝横截面上,洋葱瓣花纹的中心偏向焊缝底部;用右螺纹搅拌针焊接的横截面上,花纹的中心偏向焊缝表面.     

搅拌针形状对焊缝厚度方向塑性金属迁移的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同旋向、不同螺距的搅拌针进行了搅拌摩擦焊试验.结果表明,搅拌针的旋向决定塑性金属在厚度方向上的迁移方向,带左旋螺纹的搅拌针驱使搅拌针附近的塑化金属向下迁移,向下迁移的金属不断向焊缝底部积累并受到垫板的阻碍作用,迫使塑性金属挤压外围的材料向上迁移,右旋螺纹的搅拌针作用方式则相反;建立的"抽吸-挤压"模型能很好的解释塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移方式;螺距较大的搅拌针有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,但也容易使焊缝底部的包铝层卷入焊缝中.     

搅拌摩擦焊焊缝塑性金属流动的实验研究

用铝箔作为标示材料,进行了LY12铝合金的搅拌摩擦焊试验.焊后在与焊缝表面平行的截面上,观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹.结果表明,左旋螺纹探针搅拌头搅拌摩擦焊过程中,焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的.在焊缝上部,前进边的标示材料向前迁移,而返回边的标示材料绕过搅拌针向后迁移;在焊缝中下部,搅拌针周围出现塑性环.     

紫铜与低碳钢厚板搅拌摩擦焊工艺分析

用搅拌摩擦焊方法成功焊接了 10 mm 厚的紫铜与低碳钢板,得到了内部无缺陷、外观成形良好的接头.紫铜位于搅拌摩擦焊返回边时,能使焊缝形成良好接头.反之,位于前进边时则有沟槽和未焊合等缺陷.右旋螺纹搅拌针会使焊缝材料向上作螺旋形运动,接头有明显的轴肩影响区,缺陷容易在焊缝底部出现.左旋螺纹搅拌针使搅拌针周围的塑化金属向下迁移,在焊缝下部形成明显的呈"洋葱环"形焊核区,缺陷容易在焊缝上部出现.搅拌针偏移量对焊缝形貌有较大影响.接头抗拉强度达 233 MPa,为铜母材强度的 95%,断裂位置在铜侧热影响区.焊核区抗拉强度达 296 MPa,远超过紫铜母材的强度.

Abstract：

The joining of dissimilar metals, T2 copper and Q235 mild steel plates with 10 mm thickness, is carried out in friction stir welding. Excellent welds can be gained when copper is fixed at the retreating side, but defects can be produced in welds when copper is fixed at the advancing side. The pin shapes influence the flow of the plasticized metal in the weld, which results in the variety of the morphology of the weld. If the screw thread on the pin is clockwise, the metal around the pin will move upwards to the root of the pin, which causes that the shoulder affected zone is clear and the weld defects would form at the lower part of the weld section. If the screw thread on the pin is counter-clockwise, the metal around the pin will move downwards, which drives the metal around the pin tip to move around and upwards. The onion ring pattern, which appears like lamellar structure, is observed in the stir zone. The shoulder-affected zone is not clear; the weld defects will form at the upper part of the weld section. Various pin offsets will affect the flow of weld metal. If an optimization of the process parameters is performed, defeet-free joints can be formed. The tensile test results show that the maximum joint tensile strength can reach 233 MPa, which is 95% of the parent materials of copper, and the fracture happens in the HAZ of copper. The maximum tensile strength of the nugget zone can reach 296 MPa, which is very considerably larger than that of the parent materials of copper.     

搅拌针偏心距对焊缝金属塑性流动行为的影响

采用搅拌针偏心距分别为0.1,0.2,0.3,0.4 mm搅拌头对叠层进行焊接试验,分析其对焊缝金属塑性流动行为影响.结果表明,焊缝由轴肩区、紊流区、焊核区及挤压区组成,其中紊流区为焊核区和轴肩区挤压金属形成的结果,前进侧挤压区金属变形尺寸明显大于返回侧.随偏心距增加,焊核区面积、宽度及挤压区标示材料向上迁移高度先增大后减小,前进侧标示材料向上迁移距离大于返回侧.由0.2 mm偏心距搅拌头获得焊核区面积和标示材料向上迁移距离最大.但焊核区宽度最大焊缝由0.3 mm偏心距搅拌头获得.根据焊缝金属塑性流动形态,提出搅拌针波动式挤压物理模型.     

搅拌摩擦焊接头形成过程的二维观察与分析

用紫铜作标示材料，进行了LF6铝合金的搅拌摩擦焊试验，焊后在与焊缝表面平行的截面上，观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹。结果表明，搅拌摩擦焊过程中，焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的，在焊缝的前进边，材料既向搅拌头前方流动也向搅拌头后方流动；在焊缝的返回边，材料只是向搅拌头后方流动，且有部分材料进入前进边。根据试验观察结果，建立了焊缝金属在水平面上的二维挤压模型，并用运动分解、合成的方法研究了探针周围热塑性材料的流动趋势，模拟了标示材料在焊接过程中的流动状态，模型能较好地解释试验所观察到的现象。     

Q235钢板与6082铝合金搅拌摩擦焊工艺

通过对Q235钢板和6082铝合金进行搅拌摩擦焊接,并用正交试验对搅拌摩擦焊工艺参数进行优化. 结果表明,焊接过程中,将钢板放在返回侧,铝板放在前进侧[1],离搅拌针较近的钢侧金属发生软化,并且在轴肩横向切应力作用下形成短"钉子",最终在搅拌针的旋转作用下填充到搅拌针后方形成的空腔内,当下压量为0.2 mm时,比较容易得到优质的焊缝;搅拌针旋转速度为260 r/min,焊接速度为16 mm/min,针头偏向铝侧0.2 mm时,所得焊缝的抗拉强度为141.204 MPa,断裂发生在铝侧焊核区与热力影响区的交界处;钢侧热机影响区的硬度比母材高,而铝侧热机影响区比母材低.     

焊接参数对LY12铝合金FSW焊缝S曲线形成的影响

在铝合金中镶嵌标识材料进行搅拌摩擦焊试验,分析了焊缝中S曲线的形成原因;并用圆锥光面搅拌针的搅拌头,研究了焊接工艺参数对LY12铝合金焊缝中S曲线形貌的影响.结果表明,焊缝中S曲线是原始界面与其周边金属一起位移、变形的结果;S曲线的形状取决于焊缝上部金属的旋转运动、搅拌针与原焊接面之间的相互作用以及焊缝底部金属朝远离焊缝中心线的方向和板材上方移动的综合作用.对于圆锥光面搅拌针,当焊接速度一定时,增大搅拌头的旋转速度;或当搅拌头旋转速度一定时,降低焊接速度,S曲线在焊缝厚度方向的贯穿区域减小并最终消失.