基于CEL模型的搅拌摩擦焊接7055铝合金仿真模拟

基于耦合的欧拉—拉格朗日(CEL)模型,建立了高可靠性、高精度的搅拌摩擦焊7055铝合金热力耦合计算模型,开展了焊接工艺参数对7055铝合金焊接接头温度、等效应变以及缺陷预测结果的影响规律的研究,并分析和讨论了搅拌摩擦焊试验验证模拟结果的可靠性. 7055铝合金搅拌摩擦焊CEL模型预测结果表明,温度和等效塑性应变与转速呈正比,与焊接速度呈反比,这主要与焊接工艺参数影响轴肩与7055铝合金的摩擦生热及材料的流动,使焊接温度和等效塑性应变值发生变化有关.当焊接速度在60 ? 300 mm/min、转速在300 ? 1 200 r/min范围内,焊接温度均低于7055铝合金熔点,当焊接速度增加到300 mm/min时,由于产热不足,温度和等效塑性应变均降低,此时在焊接接头处容易产生孔洞缺陷.7055铝合金搅拌摩擦焊试验结果表明,当转速为600 r/min、焊接速度为180 mm/min时,7055铝合金接头组织致密,接头抗拉强度达到489 MPa,断后伸长率为4.0%.当焊接速度提高至300 mm/min时,接头抗拉强度为411 MPa,断后伸长率仅为1.0%.这与产热不足导致接头处结合较差有关,与模拟结果一致.     

搅拌摩擦焊工艺对AZ31合金组织性能的影响

研究了焊接速度、搅拌头转速对AZ31合金搅拌摩擦焊接头显微组织和力学性能的影响,分析了焊接工艺参数的作用机理。结果表明,焊接速度过低(250 mm/min)或者搅拌头转速过高(650、700 r/min),焊核区的条带区中都会产生孔洞缺陷。随着焊接速度的增加,焊核区和热影响区的晶粒尺寸都呈现逐渐减小的趋势,合金的抗拉强度和断后伸长率都表现为先升高后降低的趋势。随着搅拌头转速的增加,焊核区和热影响区的晶粒尺寸都呈现逐渐增加的趋势,合金的抗拉强度和断后伸长率呈现先增加后减小的趋势。AZ31合金适宜的搅拌摩擦焊工艺为焊接速度400 r/min、搅拌头转速550 r/min,此时搅拌摩擦焊接头的抗拉强度和断后伸长率分别为202 MPa和5.0%,断裂位置位于后退侧热影响区。     

Fe-36％Ni合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的改善

随着能源业的发展,Fe-36％Ni合金作为结构材料的应用需求越来越广,而电弧焊时存在严重的热裂纹和再热裂纹问题.采用搅拌摩擦焊方法焊接Fe-36％Ni合金可以有效地避免电弧焊带来的裂纹问题,获得成形良好的接头.但已有研究获得的焊缝组织均有晶粒粗化的特点,导致其接头力学性能低于母材.因此,需要解决晶粒粗化问题,寻找组织与性能获得改善的方法.采用控制焊接工艺的方法改善Fe-36％Ni合金搅拌摩擦焊接头的组织和性能.结果表明,在较低的焊接速度下,调整搅拌头转速更适合于控制Fe-36％Ni合金搅拌摩擦焊接头的晶粒尺寸.搅拌头低转速带来较低的焊接热输入,使焊缝具有晶粒尺寸与母材相当或较母材晶粒细化的组织.晶粒尺寸是接头力学性能的主导因素.在400 r/min和2 mm/s的焊接工艺下可获得与母材晶粒尺寸相近、强度和硬度相当、断后伸长率也较高的接头.     

高锌铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能

采用不同焊接工艺参数对6 mm厚稀土Er微合金化的高Zn铝合金进行了搅拌摩擦焊试验,研究了不同焊接速度对焊缝各区域组织和力学性能的影响。结果表明:焊核区晶粒尺寸随焊接速度的增加而逐渐减小;热影响区和热机影响区交界处硬度值最低,是焊接接头的薄弱环节。焊接接头存在异常的大梯度组织变化,在三种焊接速度下获得的焊接接头强度损失均较为严重,当搅拌头转速为350 r/min、焊接速度为50 mm/min时,抗拉强度和伸长率分别为459 MPa和9.4%,伸长率比母材横向增加96%,断口分析表明为韧性断裂。     

6061-T6铝合金微搅拌摩擦焊工艺

以0.8 mm厚6061铝合金微搅拌摩擦焊对接过程为研究对象,采用专用搅拌工具,通过温度场模拟进行工艺参数预选,研究了无倾角微搅拌摩擦焊的工艺参数对接头力学性能的影响,确定了与所设计微搅拌工具相匹配的工艺参数窗口;并采用光学显微镜、SEM扫描电镜对接头的微观组织、断口的形貌进行观察. 结果表明,在焊接速度为300 mm/min、转速14 000 ~ 24 000 r/min时,可以获得力学性能优越的焊接接头,抗拉强度均可达母材的70%以上;微搅拌摩擦焊缝微观组织的热影响区与传统搅拌摩擦焊相比,仅部分晶粒发生长大,仍有部分晶粒与基体保持一致无明显变化.     

搅拌针转速对厚板镁合金SSFSW焊缝组织及性能的影响

对9 mm厚板AZ31B镁合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welding,SSFSW)工艺试验,探讨搅拌针转速(500～1 000 r/min)对焊缝组织及力学性能的影响规律.结果表明,在给定焊接速度80 mm/min下,搅拌针转速在600～800 r/min范围可获得表面光滑、无内部缺陷的对接焊缝,当转速为1 000 r/min时焊缝表面出现不连续凹坑但内部仍无缺陷.随着转速增加,晶粒尺寸由(11.11±1.68)μm增加到(18.95±1.83)μm;在700 r/min时焊核区晶粒尺寸沿板厚差异最小.焊缝中间硬度分布具有不均匀性且随转速增加而减小,最大差异为10.97 HV,最低硬度47 HV位于前进侧的热力影响区与焊核区界面处.在700 r/min下接头力学性能最佳,强度系数为90.2%、对应断后伸长率为母材69.3%.随着转速增加,断裂模式由韧-脆混合断裂转变为剪切-韧性混合断裂.     

AZ91D薄板搅拌摩擦焊

实现了厚度为2.2 mm铸造镁合金AZ91D薄板的搅拌摩擦焊和钨极氩弧焊,分析了搅拌摩擦焊工艺参数对焊接接头成形的影响和接头组织变化,考察了搅拌摩擦焊接头的力学性能.在搅拌头旋转速度为1 380 r/min时得到了比较理想的焊接接头,而1 960 r/min的转速过大.接头不同区域所受的机械力和热量不同,显微组织明显不同.搅拌区晶粒细小,显微硬度和强度都有所提高.搅拌摩擦焊接头力学性能与热输入有关;与氩弧焊接头相比,搅拌摩擦焊接接头的性能更好.     

颗粒增强汽车用铝基复合材料的搅拌摩擦焊接

对SiC颗粒增强铝基复合材料进行搅拌摩擦焊接,研究了焊接转速和焊接速度对焊接接头组织和力学性能的影响。结果表明,焊接速度为200 mm/min时,焊接转速对SiCp/Al搅拌摩擦焊接接头抗拉强度影响不大。在焊接转速1000 rpm时,随着焊接速度的增加,SiCp/Al搅拌摩擦焊接接头热影响区最低硬度提高,抗拉强度逐渐增加。焊接速度大于300 mm/min时,SiCp/Al搅拌摩擦焊接接头抗拉强度相差不大。     

铝合金无减薄搅拌摩擦焊工艺优化及特征分析

为提高无减薄搅拌摩擦焊接头力学性能,基于响应面法对参数进行优化,建立了响应面模型,并对模型进行回归分析. 结果表明,无减薄搅拌摩擦焊是成形优良的焊接工艺,而且焊接参数对接头拉伸性能影响明显,其中主轴转速及焊接速度对其影响更为显著. 在无缺陷条件下,提高主轴转速的同时选取适中的焊接速度,以得到性能更优的焊接接头. 焊接参数为主轴转速1 000 r/min,焊接速度200 mm/min、轴肩下压量0.25 mm时,接头的抗拉强度最大为363 MPa,为母材的94.3%,断后伸长率11.2%. 而且相比于常规搅拌摩擦焊,无减薄搅拌摩擦焊在厚度方向上的性能更加均匀.     

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.     

Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welded 5083 and 7075 Aluminum Alloys

Through microscopy, mechanical testing, and numerical modeling, the microstructure and mechanical performance of friction stir welded aluminum alloys 7075-T651 and 5083-H111 were characterized. In particular, the influence of the weld configuration, i.e., the locations of the 7075 and 5083 alloys alternately on the advancing and retreating sides, on material flow, microstructure, and mechanical properties was considered. Thermographic data in conjunction with a process simulation demonstrated that the weld configuration significantly impacts heat generation during friction stir welding. The microstructure in the stir zone was a clear visualization of the material flow and was characterized by a vortex-like structure with alternating bands of the alloys being joined. These bands differed in elemental content and grain size. The microstructure became more complex when greater heat generation (higher temperatures) occurred. The weld configuration strongly influenced the material flow, but did not impact the tensile properties (such as yield strength, tensile strength, and elongation). The configuration of 5083 on the advancing side and 7075 on the retreating side produced the most uniform material flow. The joint efficiencies of all tested welds were above 100%.     

Cu-Cr-Zr合金搅拌摩擦焊接接头的组织和力学性能

采用旋转速度为750和1500 r/min,焊接速度为23.5 mm/min的焊接参数分别对时效态和固溶态的3 mm厚的Cu-Cr-Zr合金板进行搅拌摩擦焊接,研究转速及母材区(BM)初始状态对搅拌摩擦焊(FSW)接头的微观组织与力学性能的影响,并对接头的力学性能进行模型化定量分析。结果表明:FSW后,接头晶粒显著细化,沉淀相在搅拌头的高温热作用下固溶在基体中。当BM的初始状态为时效态时,与1500 r/min样品相比,750 r/min样品晶粒尺寸较小且存在沉淀相,750 r/min样品力学性能较高,主要是晶界强化和沉淀强化的作用。当BM的初始状态为固溶态时,与1500 r/min样品相比,750 r/min样品晶粒尺寸较小,力学性能较高,主要是晶界强化的作用。当FSW转速相同时,时效态接头的晶粒尺寸小于固溶态接头,而力学性能高于固溶态接头,主要是由于BM的初始组织状态不同导致的。综合分析表明:FSW过程中选用低转速焊接,可以获得性能较优的接头。     

焊接速度对30CrMnSiNi2A钢电子束焊接头组织和力学性能的影响

30CrMnSiNi2A钢由于其出色的质强比成为制造飞机起落架、襟翼的重要材料。电子束焊的焊接速度对工程应用中30CrMnSiNi2A钢的微观结构和机械性能产生极大影响。接头微观组织从热影响区细小等轴的回火索氏体与马氏体混合组织,转变为焊缝区域的树枝状板条马氏体晶粒。显微硬度由母材向焊缝中心逐渐增高,焊缝区域显微硬度最高可达690HV0.2,约为母材的两倍;拉伸强度最高为842MPa,达到母材强度的96.9%。此外随着焊接速度的提高,晶粒尺寸减小,显微硬度随之提高;但HAGB和渗碳体数量的下降对接头强度不利,使得接头抗拉强度随焊接速度提高而下降,不同焊接速度下接头断裂模式均为脆性断裂。     

GH3128合金激光焊接头组织与性能

采用激光焊方法对3 mm厚GH3128合金进行对接焊,研究焊接工艺参数对焊缝成形的影响,同时与非熔化极惰性气体保护焊(tungsten inert gas welding,TIG焊)进行显微组织及力学性能的对比分析. 结果表明,在激光功率4 kW、焊接速度1.5 m/min和离焦量 + 3 mm的焊接工艺参数下可以获得成形良好的焊缝. 激光焊与TIG焊焊缝区组织均由奥氏体γ' + 脆性碳化物组成. 与TIG焊相比,激光焊焊缝区的组织晶粒细小,且分布于枝晶间和晶界处的碳化物尺寸较小,激光焊接头室温抗拉强度低12%,高温抗拉强度相近,室温轴向低周疲劳应力循环次数高4.5倍. 与TIG焊相比,激光焊接头室温抗拉强度低和低周疲劳性能高,主要是受焊接过程元素烧损和碳化物尺寸的影响.     

焊接参数对7A04铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能的影响

采用不同的焊接参数对3 mm厚7A04铝合金板进行焊接,并对接头的组织、沉淀相、力学性能及断口形貌进行了分析. 结果表明,焊核区组织发生动态再结晶,形成细小的等轴晶粒,热影响区晶粒发生明显粗化. TEM分析结果显示,经搅拌摩擦焊后,焊核区部分沉淀相溶解. 焊核区晶粒尺寸随焊接速度增大而减小. 当焊接速度为120 mm/min,旋转速度为800 r/min时,接头强度达到最大值 454.2 MPa,为母材的95%,断后伸长率为3.97%,为母材的70%. 硬度测试显示搅拌摩擦焊接头发生软化,焊缝区域硬度低于母材,硬度值最低点出现在热影响区;拉伸断口形貌SEM图像表明接头断裂方式为韧性和脆性混合型断裂.     

Modeling the Material Flow and Heat Transfer in Reverse Dual-Rotation Friction Stir Welding

Reverse dual-rotation friction stir welding (RDR-FSW) is a novel modification of conventional friction stir welding (FSW) process. During the RDR-FSW process, the tool pin and the assisted shoulder are separated and rotate with opposite direction independently, so that there are two material flows with reverse direction. The material flow and heat transfer in RDR-FSW have significant effects on the microstructure and properties of the weld joint. A 3D model is developed to quantitatively analyze the effects of the separated tool pin and the assisted shoulder which rotate in reverse direction on the material flow and heat transfer during RDR-FSW process. Numerical simulation is conducted to predict the temperature profile, material flow field, streamlines, strain rate, and viscosity distributions near the tool. The calculated results show that as the rotation speed of the tool pin increases, the temperature near the tool gets higher, the zone with higher temperature expands, and approximately symmetric temperature distribution is obtained near the tool. Along the workpiece thickness direction, the calculated material flow velocity and its layer thickness near the tool get lowered because the effect of the shoulder is weakened as the distance away from the top surface increases. The model is validated by comparing the predicted values of peak temperature at some typical locations with the experimentally measured ones.     

Properties and structure of friction stir welded joints in 1424 and V-1461 (Al–Li) alloys*

The effect of the friction stir welding (FSW) conditions on the structure of welded joint and mechanical properties of 1424 and V-1461 alloys is investigated. FSW is accompanied by the formation of a recrystallized fine-grain microstructure in the welded joint. It is shown that the increase of the heat input to the welded sheets does not increase the average grain size in the weld zone (the average grain size is 1.5–2.2 μm). The tensile strength of the welded joints depends on the welding conditions for both alloys. Special features of the microstructure formed in the zone of the welded joint are discussed and the effect of the microstructure on the mechanical properties of the welded joints and evolution under the effect of heat treatment after FSW are determined.     

基于焊接热模拟的高锰TWIP钢热影响区组织与性能

针对锻态高锰孪生诱导塑性钢利用Gleeble3500型热模拟试验机，通过设置不同峰值温度(850,950,1 050,1 150,1 250℃)对焊接接头热影响区的各个区间进行了焊接热模拟，采用电子背散射衍射系统、扫描电子显微镜和X射线衍射仪等手段分析了锻态母材经过焊接热作用后组织和性能的变化.结果表明，热作用前后孪生诱导塑性钢组织均为等轴晶粒的全奥氏体组织，晶粒尺寸随峰值温度的上升先减小后增加，但都低于母材；热影响区的拉伸性能均优于母材，主要原因是发生了细晶强化；冲击韧性随峰值温度的变化与晶粒尺寸变化趋势一致，说明晶粒尺寸对采用的孪生诱导塑性钢冲击韧性有关，晶粒尺寸越细，冲击韧性越差.冲击断口的韧窝底部发现有AlN颗粒.