搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟

搅拌摩擦焊接过程中的产热、传热与塑性材料流动行为直接决定了焊接接头的组织演变及力学性能。对这些物理现象开展数值模拟研究,对于深入理解搅拌摩擦焊接过程的物理机制和优化焊接工艺具有重要意义。本文综述了搅拌摩擦焊接过程产热、传热与材料流动数值模拟的国内外研究现状,指出了存在的主要问题。介绍了作者课题组近年来针对这些问题所开展的研究工作。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,研发出了黏着系数和摩擦因数的测试-计算法,为提高数值模拟的精度奠定了基础。建立了针对复杂截面形状搅拌针的搅拌摩擦焊接过程数学模型,数值分析了3种典型搅拌头情况下焊接过程中的产热率、温度分布和塑性流动行为。建立了包含下压、停留、焊接及冷却4个阶段的搅拌摩擦焊接全过程的传热-流动耦合模型,模拟了焊接过程各阶段的产热、温度场和塑性材料流动的演变情况。在此基础上,对搅拌摩擦焊接过程数值模拟领域未来的发展趋势进行了展望,提出了下一步的研究重点。     

基于欧拉模型的搅拌摩擦焊接界面行为及产热数值

通过建立欧拉模型,研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌头-焊接工件接触面材料的流动规律以及热输入,确定了搅拌摩擦焊接中接触面滑移系数与搅拌头转速之间的关系式,发现接触面滑移系数随搅拌头转速的增加而降低。通过与已知试验数据的对比,验证了所建立公式和模型的正确性;进一步发现,塑性变形产热对搅拌摩擦焊接过程中的热贡献超过35%。     

基于温度场分析的航空铝合金薄壁件搅拌摩擦焊工艺参数优化设计

目前已经有对于不同厚度的铝合金的搅拌摩擦焊接(friction stir welding,FSW)进行研究,并研发出一系列的焊接设备和工艺保证焊接质量的可靠与有效.但对于超薄的铝合金焊接,搅拌摩擦焊还存在一定的限制,如由于工艺参数选取不当造成焊接温度的太低或过高,严重降低焊缝的力学性能.通过分析搅拌摩擦焊传热机理,研究薄壁件徽搅拌摩擦焊接工艺参数选取的计算模型,并对模型计算出的工艺参数进行DEFORM焊接温度场分析,最后通过设计基于立式加工中心的微搅拌摩擦焊试验来验证计算模型和焊接温度场分析的合理性.     

热量自适应搅拌摩擦焊热源模型

当前采用的温度场热源数值模型在准确表征焊接过程材料性能和产热机制与温度变化关系上存在困难.依据摩擦学原理,以材料屈服强度ReL为产热基本参数建立新型热源模型,产热量随温度、材料性能改变,实现搅拌摩擦焊产热自适应过程,更准确地描述了搅拌摩擦焊过程物理现象的本质.温度场试验与模拟结果的比较表明,该热量自适应热源模型具有较高的计算精度.     

搅拌摩擦焊数值模拟过程中不同转速与热输入功率之间关系研究

建立了搅拌摩擦焊接过程的三维瞬态传热模型,用移动热源模拟搅拌头的移动.模拟和研究不同搅拌头转速下对应的温度场,通过反问题分析方法给出了搅拌摩擦焊接热源移动模型中热输入功率与转速间的函数关系,通过这一函数表达式,计算出转速为400 r/min的热输入功率,并与试验结果进行对比,误差小于5％,从而验证文中提出的热输入功率与转速间的函数关系的正确性和有效性.     

利用红外热成像技术分析搅拌摩擦焊隧道型孔洞形成机制

隧道型孔洞是搅拌摩擦焊焊接厚板的过程中最为典型且危害性最大的一种缺陷,并贯穿于整个焊缝。研究隧道型孔洞的形成机制,通过红外热成像仪拍摄摩擦焊接过程中无轴肩搅拌针温度实时变化情况,分析搅拌针附近金属的流动情况和隧道型孔洞形成位置,利用倒锥形搅拌针急停实验验证隧道型孔洞形成位置。根据红外热成像仪拍摄数据分析搅拌针前进侧后端温度最低,说明此处金属流动性最差,隧道型孔道易在此处形成,并结合急停实验对上述推论进行实验验证。同时实验发现在搅拌摩擦焊搅拌针旋转一周这个周期内,金属温度的传递可为三种形式:摩擦产热、流动传热与扩散传热。在前端半个周期内进行摩擦产热,在后端半个周期内进行温度的传递。     

摩擦焊接过程数值模拟技术研究进展

根据摩擦焊接过程数值模拟存在的主要难点,重点介绍了摩擦焊接热输入、焊合区金属塑性变形、以及焊接过程主要参量场,如温度场、应力应变场有限元热力耦合分析的几种模型及其研究进展。文献研究表明,目前摩擦焊接过程物理参量场的数值模拟主要采用二维、非稳态、变物性模型。一般忽视辐射及对流换热。焊接界面上热流量可以根据扭矩曲线或摩擦系数分布曲线计算,热流分布采用均布或线性假设,近年来有关学者直接根据焊接材料的性能数据和设定的焊接规范参数进行摩擦焊接过程特征参量及相应物理参量场的模拟研究工作,并模拟了摩擦焊接过程的两种产热模型及其转化规律（摩擦初期的摩擦产热与摩擦后期的塑性变形产热）。     

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.     

铝合金搅拌摩擦焊接缺陷分析及工艺优化

以7075铝合金为研究对象,采用自设计的2.5°内凹轴肩三斜面圆锥搅拌头进行搅拌摩擦焊接试验,研究了下压量,搅拌头旋转速度,焊接速度等不同焊接工艺参数对接头质量的影响。通过分析焊接参数、摩擦产热以及材料塑性流动之间的相互影响,揭示缺陷的形成机理及其对焊接接头性能的影响,并提出了相关的预防与工艺优化方案,以降低7075铝合金搅拌摩擦焊接缺陷的形成机率。     

搅拌摩擦焊接过程的有限元模拟

对摩擦搅拌焊接工艺进行数值仿真，建立了搅拌摩擦焊接的二维数值计算模型，通过数值手段进行焊接参数研究。并研究了焊接工艺过程中焊件材料的流动情况以及在焊接过程中材料的应力和应变情况，且与已有结果进行比较。证实了所建立模型的正确性与可靠性。     

面向零件形状的计算机图形库的开发

论述了CAD技术中参数化设计的三种建模方法，重点介绍了基于特征的参数化建模原理。在此基础上，分析机械设计中的机构结构，归纳出其零件的几何特征构成。设计了机构CAD图形库，并提出了该图形库生成步骤和人机交互界面。     

FeCrAIW电弧喷涂层组织的致密化研究

采用激光辐照对FeCrAlW电弧喷涂层的组织进行致密化处理,借助扫描电镜和X衍射对涂层的组织进行了分析.测试了涂层的显微硬度.结果表明:涂层组织致密度提高,孔隙率明显降低.随着激光扫描速度的增加,涂层的显微硬度降低.在较低的扫描速度下,涂层与基体之间形成互熔区,涂层与基体之间产生良好的冶金结合.     

胫骨生物陶瓷复合材料的微结构增韧机理

扫描电镜观察显示胫骨是一种由羟基磷灰石和胶原蛋白组成的自然生物陶瓷复合材料.羟基磷灰石具有层状的微结构并且平行于骨的表面排列.观察也显示这些羟基磷灰石层又是由许多羟基磷灰石片所组成,这些羟基磷灰石片具有长而薄的形状,也以平行的方式整齐排列.基于在胫骨中观察到的羟基磷灰石片的微结构特征,通过微结构模型分析及实验,研究了羟基磷灰石片平行排列微结构的最大拔出能.结果表明,羟基磷灰石片长而薄的形状以及平行排列方式增加了其最大拔出能,进而提高了骨的断裂韧性.     

Effect of the Error of Measurement of Current Harmonics on the Accuracy of Determination of Magnetic Characteristics

Metal Science and Heat Treatment - The effect of the error of measurement of the form of current harmonics on the accuracy of determination of weber-ampere characteristics of electrical devices is...     

谈谈汽车白车身CO2焊接质量的控制

本文介绍了CO2气体保护电弧焊的冶金特点,CO2气体保护电弧焊焊接过程中的熔滴过渡形式;从焊丝的冶金过程,焊接时的工艺参数的选择及调整等方面探讨了汽车白车身CO2焊接质量的控制。