7075-T6铝合金摩擦塞焊焊接区域温度场的数值模拟

以7075-T6铝合金为待焊材料,基于库伦摩擦定律建立摩擦塞焊的产热模型,利用ABAQUS软件模拟7075-T6铝合金的摩擦塞焊过程,建立焊接区域温度场的有限元模型,采用热流密度为定值和基于试验数据的热流密度的两种热源加载方式模拟摩擦塞焊焊接区域的温度场,并进行了试验验证。结果表明:两种热源加载方式下焊接区域温度场的变化趋势是一致的,但是相同时刻下,采用热流密度为定值的热源加载方式得到的铝板温度较高;采用两种热源加载方式得到焊接铝板测温点的温度变化趋势均和试验结果的相吻合,但采用基于试验数据的热流密度得到的模拟结果更准确,因此通过有限元产热模型来模拟7075-T6铝合金摩擦塞焊接区域的温度场是可行的。     

厚板铝合金搅拌摩擦焊温度场的检测与分析

在焊缝中埋入热电偶,检测了厚板铝合金搅拌摩擦焊缝不同特征点的温度变化曲线,获得了厚板铝合金搅拌摩擦焊温度分布的规律。检测结果表明:旋转速度ω和焊接速度v的比值(ω/v)越大,特征点峰值温度越高,同一位置前进侧的特征点峰值温度高于后退侧15℃左右。焊缝厚度方向温度曲线在升温过程中,65 s前曲线的斜率基本相同,65 s后上表面的曲线斜率最大。在降温过程中,上表面的降温快于下表面,130 s后上表面温度低于下表面。     

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场的数值模型和参数影响分析

针对带圆柱搅拌针的搅拌头,推导了一种搅拌摩擦焊热源模型的一般表达式,按照滑动摩擦、粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦3种机制计算其中的摩擦应力,得到3种热源模型。采用ABAQUS软件,通过子程序实现热源模型并进行加载,建立了12.7 mm厚6061-T6铝合金板的搅拌摩擦焊温度场数值模型。数值模拟结果与实验结果的对比表明:基于粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦的模型能较好地预测温度场,两者给出的焊接稳态温度场基本一致,而基于滑动摩擦的模型预测的温度场偏高。通过改变模型参数的取值,系统地研究了边界条件、预热时间、焊接参数、搅拌头结构尺寸对温度场、产热功率和搅拌头所受力矩的影响,得到一系列规律和指标。     

先进的搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所20世纪90年代初发明并拥有专利权的一种固相塑性连接技术。目前,国内外研究较多的是各种铝及铝合金的搅拌摩擦焊。(1)搅拌摩擦焊原理及特点与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,搅拌摩擦焊的焊接过程是由一个带有探针和轴肩的特殊形式的搅拌头来完成的,如附图所示。先将探针插入被焊接板     

7075-T6铝合金搅拌摩擦焊组织及性能分析

选用旋转速度400～500 rpm、焊接速度100～140 mm/min的工艺参数对厚度16 mm的7075-T6铝合金板进行搅拌摩擦焊接,分析并讨论焊接接头的显微组织及力学性能.结果表明,7075-T6搅拌摩擦焊焊接接头由焊核区、轴肩影响区、热机影响区和热影响区组成.焊核区及轴肩影响区为细小的再结晶等轴晶组织;热机影...     

6063-T6铝合金搅拌摩擦焊组织与力学性能研究

采用搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)对10mm的6063-T6铝合金分别进行单、双面焊接,并探究焊接速度对接头微观组织及力学性能变化的影响。结果表明,单双面焊接接头"S"线形貌基本保持一致且集中在前进侧轴肩影响区,单面焊有更明显的洋葱环形貌。焊核区中部区域等轴晶晶粒尺寸小于上部轴肩影响区,且单面焊焊核区晶粒尺寸大于双面焊。搅拌摩擦焊旋转速度为1 500r/min,焊接速度由300mm/min增至1 400mm/min时,接头力学性能先升高后降低,且双面焊接头力学性能始终优于单面焊。接头抗拉强度峰值为187MPa,断裂位置多位于后退侧热影响区,与接头最低硬度位置保持一致,主要断裂模式为韧性断裂。     

7050铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的组织与冲击韧性

用优选后的工艺参数对6.3 mm厚7050铝合金板进行搅拌摩擦焊对接焊接,分析了接头的组织与冲击韧性。结果表明:接头的焊核和轴肩影响区组织为细小等轴晶,热影响区组织稍有粗化现象,前进侧热机影响区晶粒发生了较大程度的变形,后退侧晶粒变形程度较小;接头显微硬度呈"W"形分布,热影响区和热机影响区的硬度较低,母材和焊核区的硬度较高,焊核区硬度从底部到顶部依次增大;接头冲击韧性优于母材的,焊核区、热影响区和母材冲击断口中有较多的韧窝,呈典型的韧性断裂特征。     

2A14厚板铝合金SSFSW角焊缝接头组织及性能

采用自主研制搅拌针长度为8.5mm的静止轴肩搅拌工具和2A14-T4厚板铝合金进行150°角焊缝接头静止轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。结果表明:在500~700r/min主轴转速与40~100mm/min焊接速度范围内均可获得表面光滑无内部缺陷的角焊缝接头,其外观尺寸可精确控制基本无残余焊接角变形。焊缝区主要由焊核(Stir zone,SZ)组成,SZ形状类似搅拌针圆锥台状或椭圆状、其宽度沿厚度方向分布比较均匀;热力影响区(Thermal mechanical affected zone,TMAZ)及热影响区(Heat affected zone,HAZ)宽度明显较小。焊缝区硬度分布具有明显不均匀特征,最薄弱区位于TMAZ与HAZ的交界处。主轴转速变化对焊缝区平均硬度影响较小,但随着焊接速度增加其平均硬度明显增大。角焊缝前进侧等效拉伸强度大于后退侧,等效拉伸强度随转速增加而减小,焊速的增大而增大。在500r/min-100mm/min焊接工艺下所得到的接头等效拉伸强度最高,可达到母材的79.24%。在拉-剪复合承载模式下,角焊缝拉伸试样宏观塑性变形很小呈现脆性断裂特征。     

基于仿真的搅拌摩擦焊连接AA2024-T3不同板厚过程对比

采用完全热力耦合模型以及修正的库仑模型,分别模拟AA2024-T3铝合金中厚板和薄板的搅拌摩擦焊接过程,通过对比发现搅拌摩擦焊接中材料流动速度的最大值发生在上表面搅拌针前方靠近后退侧,焊接构件上表面材料流动速度明显高于下表面,这说明搅拌头轴肩的旋转对材料流动具有明显影响。相同的焊接参数下,焊接中厚板需要更高的外输入功率以完成搅拌摩擦焊接过程,摩擦能耗在搅拌摩擦焊接中占据主要成分,是温度场形成的主要热源。在焊接薄板时,摩擦能耗占据更高的比例,说明此时的热转换率更高。塑性变形和温度是决定焊接微观结构的主要指标,中厚板搅拌摩擦焊接产生的改善晶粒大小的效果和有效利用外输入能量方面较薄板稍差。因此,无论从能量利用的角度还是对微观结构的推断均发现薄板的搅拌摩擦焊接过程具有更高的效率。     

不同焊接速度下Z K60镁合金自持式搅拌摩擦焊接头的显微组织

在不同焊接速度(100～400mm·min~(-1))下对3mm厚ZK60镁合金进行自持式搅拌摩擦焊接,研究了接头的显微组织。结果表明:接头焊核区截面呈哑铃形,在1/4轴肩半径处的后退侧焊核区上表面存在流动图案,在前进侧热机影响区存在向焊核区生长的带状组织;在不同焊接速度下,前进侧热机影响区与焊核区之间存在明显的界面,热机影响区材料发生塑性变形,并发生部分动态再结晶;在不同焊接速度下,前进侧焊核区均发生了动态再结晶,当焊接速度为300,400mm·min~(-1)时,此焊核区由细小的等轴状再结晶晶粒组成,其定向流动形貌消失。     

7022铝合金FSJ过程温度场特点分析

建立了FSJ过程的热源模型,并利用有限元方法对7022铝合金FSJ过程中的温度场分布进行模拟,获得了7022铝合金FSJ过程的温度场分布云图。结果表明,连接缝方向各位置处节点的温度变化十分相似,均是当搅拌头行走到该位置的瞬间,热循环温度达到最大值,并随着搅拌头远离而迅速降低。前进侧温度高于后退侧,连接区域各位置节点峰值温度为491℃左右,未达到材料熔点。     

铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺研究

文中研究了铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺。冷板基底材料为6063 铝合金,盖板材料为3A21 铝合金。设计了窄搭接搅拌头,减小了轴肩宽度和焊接压力,增加了接头焊接时材料的流动性,针对不同焊深窄台阶冷板进行了窄搭接焊接工艺试验。研究表明,通过优化搅拌头形貌尺寸和工艺参数能够实现4-2（焊缝深度–台阶宽度,mm）、6-4 和9-6 的窄搭接搅拌摩擦焊焊接,焊接过程中进行定位预焊能有效避免产生焊缝S 型曲线,前进侧为6063 或3A21 时均能形成良好的焊缝。     

一种搅拌头轴肩临界值的计算方法

为提高搅拌摩擦焊焊接成功率,基于相关工程经验和热传导理论,提出了一种在确定被焊工件厚度情况下保证焊接成功所需要的搅拌头最小轴肩直径的方法。讨论搅拌针直径和长度等参数的选取方法,以稳态焊接时搅拌头摩擦产热量等于工件内固塑分界面的散热量为基础,推导被焊工件厚度与所需搅拌头最小轴肩直径的关系方程,并探讨该方程相关参数的取值范围。以6061铝合金为例,通过该方程绘制工件厚度与搅拌头轴肩直径的关系图,其结果符合实际情况。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

基于DEFORM的搅拌摩擦焊接过程数值模拟及流动分析

以塑性力学的基本理论为依据,通过Arbitrary Lagrangian-Eulerian（ALE）有限元方法,使用动态适应性网格建立焊接过程塑性金属流动有限元模型,利用金属塑性成形有限元软件Deform-3D模拟搅拌摩擦焊成形过程,得到了搅拌摩擦焊过程中的温度场分布以及焊缝区金属的流动。通过有限元模拟发现：焊接过程中由于搅拌针不断前进而在其后面形成空腔,搅拌摩擦焊的过程即为金属填充空腔的过程,FSW中常见的洋葱圆环结构就是涡旋状速度场造成的;通过模拟发现前进侧与返回侧的温度场关于焊缝分布不对称,呈倒三角形分布,且前进边温度低于返回侧,并因材料在不同温度下的剪切强度的差别而对焊缝流场产生影响,并与实际焊缝区形状相符;模拟采用点追踪技术结合嵌入性实验发现焊缝水平面内前进侧与返回侧塑性金属流动趋势不同,前进侧大量金属流向返回侧并在轴肩的下压力作用下向焊缝内部运动。     

5mm厚6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头的组织及性能

采用自主设计的双轴肩搅拌工具对5mm厚6005A-T6铝合金进行搅拌摩擦对接焊,研究了接头的组织和性能。结果表明:焊缝成形较好,焊接接头由焊核区、热机影响区、热影响区及母材组成,前进侧热影响区和热机影响区分界明显;接头横截面硬度呈"W"形分布,前进侧热机影响区和热影响区界面处硬度最小,约为60HV;接头的抗拉强度为205 MPa,拉伸断裂方式为韧性断裂,断裂位置位于前进侧热机影响区和热影响区界面处;接头的条件疲劳极限为96.6 MPa,裂纹源为靠近上表面的氧化物夹杂,疲劳断口瞬断区呈韧窝形貌。     

2524-T3铆接接头与搅拌摩擦焊接接头疲劳性能对比研究

通过2524-T3铝合金的搅拌摩擦焊接头疲劳性能对比试验,得到了母材、FSW对接接头、铆钉连接接头的疲劳S-N曲线。试验表明,搅拌摩擦焊的疲劳裂纹大多数起源于焊缝底部;2524-T3材料薄板的疲劳性能略好于厚板的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头疲劳性能要明显好于铆接接头疲劳性能。拟合得到了各种不同厚度,不同应力比下的S-N曲线公式,为搅拌摩擦焊技术应用于飞机结构积累了相关数据。     

焊接参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响

研究了搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金焊缝形貌的影响。研究结果表明：采用左螺纹圆柱搅拌头进行焊接时,形成的焊核关于搅拌针中心不对称,回撤边塑性金属迁移程度大于前进边;搅拌头旋转速度和轴肩下压量相同时,增大焊接速度可使回撤边塑性金属向上迁移程度减弱,使焊核宽度及焊核中心偏向回撤边距离减小;搅拌头旋转速度和焊接速度相同时,增大轴肩下压量可使焊核宽度和焊核中心偏向回撤边的距离增大,使回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。     

铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对焊接温度的影响

搅拌摩擦焊是一种新型的、绿色环保、高效的固相焊接技术,其过程涉及由轴肩和搅拌针构成的无损耗搅拌工具。焊接过程中,高速旋转的搅拌工具插入到工件表面直至轴肩与工件接触,并沿焊缝向前行进,利用搅拌工具与工件产生的摩擦热使待焊材料塑化,并在搅拌工具的带动下产生流动与混合从而实现焊接。详细分析了搅拌摩擦焊接的微观组织结构,搅拌工具以及主要工艺参数对焊接的影响并通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度的影响。试验研究表明,主轴转速和焊接速度对焊接温度的影响较大,下压量对焊接温度的影响不大。     

锥形光头搅拌针搅拌摩擦焊接铝锂合金接头组织及力学性能

采用锥形光头搅拌针搅拌摩擦焊接5mm厚铝锂合金轧制板材，并对接头微观组织、力学性能及断裂特性进行了深入研究。结果表明，接头由焊核区、热机影响区和热影响区构成。焊核区在焊接过程中发生动态再结晶，形成细小的等轴晶晶粒，晶界处分布有大量的偏析相，热影响区组织发生粗化，形成粗大的板条状组织，前进侧热机影响区组织发生回复反应，后退侧热机影响区发生回复 再结晶反应；硬度测试结果表明，接头发生软化，后退侧材料的软化区间和软化程度均高于前进侧；断口实验结果表明，接头断裂模式为解理断裂。