搅拌头形状对回填式搅拌摩擦点焊过程中材料流动行为的影响

以LY12铝合金为研究对象,对常规搅拌头作用下的回填式搅拌摩擦点焊的材料流动规律进行数值模拟,并利用焊点的宏观形貌与显微组织进行试验验证;讨论不同搅拌头形状对材料流动行为的影响。结果表明:材料的高速流动区域主要位于套筒内外壁附近;流动速度值在外壁凹槽处出现最大值,且随着离套筒壁距离的增加而减小。流动规律的模拟结果由位于焊点中心的中间较宽、两端较窄的韧带与焊点内部不同区域晶粒的不同所证实。从减小焊点内韧带宽度的角度考虑,双凹槽搅拌头优于常规搅拌头、小槽宽搅拌头和大直径搅拌头。     

2024铝合金搅拌摩擦焊二维流场的数值模拟

采用计算流体力学软件FLUENT建立了基于有限体积法的二维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行数值模拟,研究了焊接参数影响焊缝区域在沿垂直焊件表面方向上材料塑性流动特征的规律。结果表明,在紧靠搅拌头区域材料的塑性流动最剧烈,速度明显高于距搅拌头较远的区域,且材料在回撤边发生绕流现象;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动速度增加,且材料流动较剧烈的区域明显扩大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊的组织与性能

选用6061-T6与7075-T6铝合金为研究对象,研究异种合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织和拉剪性能. 将7075铝合金作为上板,主要讨论套筒下扎深度对接头成形和性能的影响. 结果表明,当套筒刚扎透上板时,接头内部无缺陷产生. 随着套筒下扎深度的增大,接头内部会出现孔洞、撕裂和未充分回填等缺陷. 当使用较小的套筒扎入量时,决定接头性能的关键位置,即钩状缺陷处和焊点中心搭接面处的结合情况良好. 接头的断裂载荷随着套筒下扎深度的增大先增大后减小,最大载荷在深度为3.4 mm时达到7 236 N.     

工艺参数对复合搅拌摩擦点焊接头力学性能的影响

采用LF21铝合金研究了复合搅拌摩擦焊时焊接工艺参数(旋转速度、旋转半径)对焊接接头力学性能的影响.结果表明,当其它焊接参数一定时,焊点的力学性能随着搅拌头旋转速度的增加而增加,当搅拌头的旋转速度增加到1 200 r/min时,焊点的剪切力达到最大值为3.47 kN,随着搅拌头旋转速度的进一步增加,焊点的力学性能开始降低.改变旋转半径,焊点的力学性能随着旋转半径的增加而增加,当旋转半径达到0.5 mm时,焊点的剪切力达到最大值为3.47 kN,然后,随着旋转半径的继续增加,焊点的力学性能开始降低.LF21铝合金的复合搅拌摩擦点焊焊点的微观组织与直插式搅拌摩擦点焊不同的是,在塑性环的边上形成了一个由第二层塑性环形成的"耳朵形"区域.     

焊接工艺参数对2024铝合金搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动行为的影响

以轴肩端面为同心圆的带螺纹搅拌头为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立了三维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行了数值模拟,研究焊接工艺参数对模拟结果的影响。结果表明,在搅拌头附近区域材料的塑性流动剧烈,且轴肩附近材料的流动速度高于搅拌针边缘材料的流动速度;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动更剧烈,且高速流动的材料区域范围变大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

回填搅拌摩擦点焊和传统搅拌摩擦点焊AA6061-T6接头的微观结构和力学性能的比较

在搅拌摩擦点焊过程中,通过添加填充板来改善摩擦成形过程,这种新工艺被称为回填搅拌摩擦点焊。分别采用回填搅拌摩擦点焊和传统的搅拌摩擦点焊工艺焊接AA6061-T6搭接焊样品,研究搅拌头的旋转速度对接头的力学性能和金相组织的影响。在不同的旋转速度下,回填搅拌摩擦点焊接头的静态剪切强度都比传统搅拌摩擦点焊接头的好。这归因于在回填搅拌摩擦点焊时,添加了填充板从而有更多的材料来填充孔洞,消除了形成的孔洞缺陷,从而使点焊焊核区的有效截面积增加。借助扫描电镜观察讨论了材料的失效机制,分析了断裂表面形貌。2种焊接接头的硬度曲线都呈W形,最小的硬度出现在热影响区。     

基于非圆形搅拌针下压的5A06/2219-T6回填式摩擦点焊接头组织与力学性能

采用带非圆截面搅拌针的焊接工具对5A06与2219铝合金进行了搅拌针下压的回填式摩擦点焊试验,对焊点进行微观组织结构分析与力学性能测试。结果表明:在焊接过程中,特殊的材料流动使得上板与下板的材料在焊点内部呈层状混合,并在焊点中心下部形成了上板材料留存区域。焊点完全消除了传统套筒下压带来的焊点竖直界面弱连接及环沟槽现象,但更容易在焊点下部形成延伸至焊核内部的界面残留,随着下压量的增加,进一步演变为向下板弯曲的Hook特征。拉剪试验表明,焊点断裂载荷随下压量增大而增加,最大拉剪力为5.7kN;断裂模式为由焊点底部Hook缺陷起裂,穿过焊核区扩展断裂。     

轴肩形貌对搅拌摩擦搭接焊材料流动与接头成形的影响

以2024-T4铝合金为研究对象,基于流体力学软件FLUENT对不同轴肩形貌的搅拌摩擦搭接焊中材料的流动行为进行模拟,并进行了试验验证。数值模拟结果表明:搅拌头轴肩边缘处的材料具有较大的流动速率;材料的流速随着距搅拌头距离的增加而减小。相比于同心圆轴肩的搅拌头,使用六螺旋轴肩搅拌头可在搭接面处具有更大的流动速率。试验结果表明,使用六螺旋轴肩所得的钩状缺陷向上弯曲程度更大,揭示了模拟结果的正确性。     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺试验

针对铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺,通过试验研究,分析了接头宏观形态,揭示了搅拌套旋转速度、下压深度、焊接时间等焊接工艺参数对点焊接头剪切力的影响规律。结果表明,接头剪切力均随旋转速度的提高、下压深度的增大和焊接时间的延长而增加。其中,焊接时间对点焊接头剪切力的影响最为显著。研究结果可为铝合金回填式搅拌摩擦点焊焊接工艺参数的选取提供参考。     

LY12铝合金摩擦点焊工艺及力学性能

摩擦点焊是在搅拌摩擦焊基础上开发的一种新型固态连接技术.针对2 mm厚的LY12铝合金,研究了摩擦点焊过程中的焊接工艺参数对焊点成形及力学性能的影响.结果表明,当焊接时间一定,搅拌头旋转速度较高时,焊点的表面成形较好;随着搅拌头旋转速度的降低,焊点的表面成形逐渐变差.焊点的抗剪载荷随搅拌头旋转速度增加呈现出先增大后减小的趋势,当搅拌头旋转速度为950 r/min、焊接时间为8 s时,焊点的抗剪载荷达到最大值,为9.33 kN/点.焊点横截面的显微硬度测试结果表明,显微硬度沿匙孔中心呈高-低-较高-低-高的"W"形分布,最小值出现在热影响区,塑性区的显微硬度较高,但略小于母材.     

Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6A14V alloy

The rotational tool is put forward, which is composed of the one-spiral-flute shoul-der and the rotational pin with screw. Using the turbulent model of the FLUENT software, material plastic flow behavior during the process of friction stir welding of Ti6Al4V alloy is researched by the numerical simulation method and then the effect of rotational tool geometry on material flow during the welding process is attained. The results show that the flow direction of the material near the rotational tool is mainly the same as the rotational direction of the tool while the material near tool flows more violently than the other regions. For the tapered rotational pin, the flow velocity of material inside the workpiece decreases with the increase of the distance away from the workpiece surface because of the change of pin diameter. For the rotational tool, the flute added to the shoulder and the screw added to the pin can greatly increase the flow velocity of material during the welding process while the peak value of the flow velocity of material appears on the flute or the screw. Moreover, the rotational tool with the one-spiral-flute shoulder is better than the tool with the concentric-circles-flute shoulder. Decreasing the width of pin screw and increasing the diameter of pin tip are both good for the increase of flow velocity.     

Al-Mg合金填充式搅拌摩擦点焊性能

为了确定Al-Mg铝合金填充式搅拌摩擦点焊性能,以Al-Mg铝合金中2 mm的5A06为研究对象,对填充式搅拌摩擦点焊接头进行了剪切拉伸、十字形拉伸、显微组织和疲劳性能等测试,并建立了焊点组织区模型.结果表明,接头显微组织可以分为焊核区、热影响区、热力影响区和母材区部分;旋转频率为2000 r/min时,剪切载荷均值7865 MPa,十字形拉伸载荷均值3480 N;通过SEM和OM分析,点焊接头疲劳裂纹均起始于上下板结合面的焊点边缘,该区域的环沟槽、孔洞及包铝层等缺陷和应力集中是造成疲劳破坏的主要原因.     

镁/铝合金回填式搅拌摩擦点焊的组织与性能

选用5083铝合金和AZ31B镁合金为研究对象,研究焊接时间对异种合金回填式搅拌摩擦点焊接头的金属间化合物层和拉剪性能的影响.结果表明,当焊接时间为1 s时,Mg合金的流动性较差,接头中出现明显的孔洞缺陷;随着焊接时间的变长,孔洞缺陷消失.由于铝镁表面的氧化膜在焊接过程中被打碎且焊接温度高于铝镁的共晶温度,接头中心会形成一层液相层,焊后液相层凝固形成金属间化合物.接头的抗拉载荷随着焊接时间的延长先升高后降低,最优载荷在焊接时间为2 s时取得,为3.1 kN.     

Effects of pin geometry on the material flow behavior of friction stir spot welded 2A12 aluminum alloy

A three dimensional finite volume model was established by the ANSYS FLUENT software to simulate the material flow behavior during the friction stir spot welding (FSSW) process. Effects of the full-threaded pin and the reverse-threaded pin on the material flow behavior were mainly discussed. Results showed that the biggest material flow velocity appeared at the outer edge of the tool shoulder. The velocity value became smaller with the increase of the distance away from the tool surface. In general, material flows downwards along the pin thread when the full-threaded pin is used. Meanwhile, both the materials of the upper and the lower plates flow towards the lap interface along the pin thread when the reverse-threaded pin is used. The numerical simulation results were investigated by experiment, in which 2A12 aluminum alloy was used as the research object. The effective sheet thickness (EST) and stir zone (SZ) width of the joint by the reverse-threaded pin were much bigger than those by the full-threaded pin. Accordingly, cross tension failure load of the joint by the reverse-threaded pin is 23% bigger than the joint by the full-threaded pin.     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊组织及力学性能分析

采用回填式搅拌摩擦点焊技术对7075-T6铝合金进行了点焊试验.对接头进行了显微组织、显微硬度、剪切和十字形拉伸测试.结果表明,接头显微组织可分为焊核区、热力影响区、热影响区及母材;在焊缝中发现了钩状缺陷、孔洞、未焊合、未完全回填及粘连韧带等缺陷;焊缝区显微硬度呈W形分布,焊点中心呈V形分布;在旋转频率为1 400 r/min,焊接时间为4s时,接头的抗剪强度达到最大值125.6 MPa,为母材强度的39.6％;接头的十字形拉伸载荷随工艺参数的变化规律比较复杂,最大十字形拉伸强度可达43.9 MPa.     

回填时间对RFSSW接头断裂行为的影响

为研究回填时间对回填式搅拌摩擦点焊接头断裂模式和断裂机理的影响,对上下板厚度分别为1.5 mm和2 mm的LY12铝合金板材进行了点焊试验,并对焊后接头进行拉剪试验.结果表明,当回填时间较短时,套筒作用区与热力影响区间界面上的原子扩散效果差,甚至在近表面附近出现开裂,导致接头的剪切-塞型断裂.当回填时间足够长时,焊接接头的断裂模式转化为剪切断裂,裂纹主要沿着上下板搭接面扩展.同时,显微结构、硬度与断口形貌的试验结果验证了文中对断裂机制的解释.     

基于响应面法的钛铝异种金属搅拌摩擦点焊工艺参数优化

为同时满足减轻质量和降低成本的需求,钛/铝复合结构具有很好的应用前景,但由于钛合金与铝合金之间的物化性能差异巨大,采用传统焊接方式很难形成可靠的连接,而搅拌摩擦点焊技术在连接异种金属方面优势明显,目前针对钛/铝合金的搅拌摩擦点焊研究较少.因此采用回填式搅拌摩擦点焊对2 mm厚的TC4钛合金和6061铝合金进行点焊试验,...     

应变率对无铅焊锡接点力学行为的影响

对150℃条件下经过0,72,288,500 h等温时效的Cu/Sn3.0Ag0.5Cu/Cu焊锡接点试样进行了应变率为2×10^-4,2×10^-2和2 s^-1的拉伸试验,研究了时效时间和应变率对焊锡接点抗拉强度和破坏模式的影响.结果表明,应变率对焊锡接点的抗拉强度有明显强化作用,抗拉强度随应变率的升高而增大.应变率从低到高的过程中,焊锡接点的破坏模式由焊料内部的韧性断裂逐渐转变为界面金属间化合物(intermetallic compound-IMC)层内的脆性断裂.     

搅拌头旋转频率对静止轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响规律

利用自行设计的静止轴肩装置对6005A-T6铝合金进行了静止轴肩搅拌摩擦焊的试验研究.结果表明,当焊接速度为200 mm/min时,表面光滑且无缺陷的焊接接头抗拉强度与断后伸长率随着搅拌头旋转频率的增加呈现先增加后减小的趋势;焊接接头的正背弯180°无裂纹;当旋转频率为1800 r/min时,抗拉强度达到最大值234 MPa,接头强度系数达到79%.静止轴肩搅拌摩擦焊接头的显微维氏硬度呈W形分布,最小值出现在前进侧的热影响区;接头的软化程度随搅拌头旋转频率的增加而增加.焊接接头的断裂位置位于热力影响区,断口呈韧性断裂.     

焊接速度对BT-FSW 2219铝合金接头流动行为及组织与力学性能影响分析

以4 mm厚2219-T87铝合金为研究对象,采用数值模拟和试验研究相结合的方法,研究了焊接速度对双轴肩搅拌摩擦焊接(BT-FSW)过程中金属流动行为、接头组织特征和力学性能的影响. 模拟结果表明,随着焊接速度增加,焊缝高温区逐渐变窄,轴肩附近的材料流动减弱,而搅拌针附近的材料流动增强. 试验结果表明,随着焊接速度增加,材料汇流区及S线缺陷均向前进侧(AS)靠近,焊接速度过大时AS附近的搅拌区(SZ)形成不连续组织. 接头SZ的硬度值随着焊接速度增加而增大,而拉伸强度先增大后稍降低. 当转速为300 r/min,焊接速度为150 mm/min时,接头获得最大的拉伸强度,为414 MPa ± 4MPa.