搅拌摩擦焊接过程流体数值模拟概述

为了对搅拌摩擦焊接机理有进一步的理解，需要对FSW过程中塑性材料的流体流动进行深入研究。搅拌摩擦焊接过程的数值模拟是研究FSW过程中塑性材料流体流动的一种重要手段。介绍了FSW过程数值模拟的一些研究进展，对资料中建立的模型和模拟结果进行了简要的描述。     

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。     

觉拌摩擦焊接塑性流体流动的常用研究方法

塑性材料的流动是搅拌摩擦焊接过程中的重要研究内容。对塑性材料的流动规律有较好的认识，可以预测FSW接头的形成、建立搅拌头与焊接接头成形关系、解释FSW过程连接机理等。目前研究塑性材料流动的方法主要有铜球跟踪技术、微观图像法及标签法等。     

搅拌摩擦焊接塑性流体流动的常用研究方法

塑性材料的流动是搅拌摩擦焊接过程中的重要研究内容.对塑性材料的流动规律有较好的认识,可以预测FSW接头的形成、建立搅拌头与焊接接头成形关系、解释FSW过程连接机理等.目前研究塑性材料流动的方法主要有钢球跟踪技术、微观图像法及标签法等.     

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%。     

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。     

搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式

采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟,并详细分析了搅拌摩擦焊接过程中的材料流动形式.结果表明,模型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料流动和温度分布情况.通过对搅拌头周围材料流动的研究,分析了搅拌摩擦焊接过程中飞边现象形成的主要原因.研究了搅拌摩擦焊接构件不同厚度上材料的三维流动形式,通过与二维情况的比较证实,二维情况下的材料流动数值模拟结果对应于搅拌摩擦焊接构件靠近下表面部分的材料流动情况.从等效塑性应变的分布也能证实搅拌头轴肩对靠近上表面的材料行为具有明显影响,而对下表面附近材料行为影响较弱,从而说明二维情况对应三维情况靠近下表面的部分.     

2024铝合金板搅拌摩擦焊接塑性材料流动的可视化检测与数值模拟(英文)

将薄铜片作为标示材料镶嵌于2024铝合金板中,经搅拌摩擦焊接焊后,用金相法观察其最终位置。参考材料流动的可视化实验结果,建立搅拌摩擦焊传热与材料流动的三维数值分析模型。搅拌针附近塑性材料流动速度分布模式的计算结果与可视化实验结果基本一致。当焊接速度一定时,随搅拌针旋转速度的提高,搅拌针附近塑性材料流动加剧。焊核区形状与尺寸的计算结果与实测数据吻合。     

搅拌摩擦焊接技术实现非直线焊缝过程中的材料行为分析

采用基于固体力学的有限元方法建立了搅拌摩擦焊接过程的三维数值模型,研究了搅拌摩擦焊接技术在焊接非直线焊缝时材料的流动行为以及焊接过程中的力学特征。结果显示,搅拌焊接构件后退侧材料的流动较前进侧更为剧烈,且越靠近肩台部分材料的流动速度越大,搅拌头向原焊接构件前进侧移动将导致材料流动速度增加,搅拌头平移方向变化的瞬时会明显改变搅拌头周围材料流动速度的分布规律。搅拌探针-焊接构件接触面上的接触压力分布是比较均匀的。     

基于移动坐标系的汽车轮辋FSW传热模型构建与分析

为模拟A356铝合金汽车轮辋的搅拌摩擦焊接,利用移动坐标系坐标转换方法,基于傅里叶定律定义了引入焊接速度项的热传导控制方程以降低建模难度。摩擦产热采用剪切摩擦模型,根据能量守恒定律,通过微积分方程并考虑了功能转化的效率,合理推导出轴肩与搅拌针作用域的产热公式,并根据轮辋对称结构简化计算模型,进而建立轮辋的搅拌摩擦焊接传热模型。通过相同焊接工艺条件下轮辋焊缝轮廓形貌模拟与试验结果对比,验证了建立的搅拌摩擦焊接传热模型的有效性和准确性,可用于优化轮辋焊接工艺参数和研究轮辋搅拌摩擦焊接机制。     

搅拌头与焊缝间作用力及其测量方法的研究现状

搅拌摩擦焊接过程中,搅拌头与焊缝之间作用力的大小直接影响着摩擦发热量的多少以及塑性材料的流动形态,作用力的大小与焊接质量息息相关。本文介绍了搅拌头与焊缝之间作用力的测量方法,并从搅拌头几何形状和焊接工艺参数对搅拌头与焊缝之间作用力的影响,以及搅拌头与焊缝之间作用力对搅拌头使用性能和焊缝成形的影响方面,对目前关于搅拌头与焊缝之间作用力的研究进行了综述。     

铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究进展

在铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,焊接接头中存在着织构的演变过程,这对焊接时材料的塑性变形与流动行为、接头性能和接头残余应力的检测均产生重要影响。综述了铝合金板中的织构及其在FSW中的演变过程,概括介绍同种铝合金、异种铝合金以及铝合金与其他材料异种搅拌摩擦焊接接头织构的国内外研究现状;指出铝合金搅拌摩擦焊接接头织构研究存在的不足,并展望铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究的发展方向。     

搅拌摩擦焊数值分析方法概述

数值分析方法在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中的应用越来越广泛.综述了在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中常用的计算流体力学(CFD)、任意拉格朗日-欧拉(ALE)、耦合欧拉-拉格朗日(CEL)三种数值分析模型.三种模型各有特点,计算流体力学模型(CFD)采用较早,但是该模型忽略了母材的硬化行为和从搅拌头上的...     

搅拌摩擦焊接材料流动模型及在缺陷预测中的应用

为了研究搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接过程的影响机理,基于DEFORM-3D软件建立了带倾角的FSW三维热-力耦合模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程中焊缝区材料的三维运动轨迹,对比分析了有无倾角时FSW过程中材料流动行为的差异. 结果表明,前进侧材料绕搅拌针旋转后大部分沉积于搅拌头后方前进侧区域,返回侧的材料大部分被搅拌头旋推至后方而沉积;采用倾角可以增强搅拌头后方材料从返回侧运动至前进侧区间的流动性,同时还有利于增强材料在厚度方向的运动能力. 根据模拟的材料流动行为对接头缺陷进行了趋势预测,预测结果与试验结果吻合良好.     

基于数值模拟的搅拌摩擦焊接成形缺陷预测

采用DEFORM-3D软件建立了搅拌摩擦焊三维热-力耦合有限元模型,通过数值模拟研究了不同工艺参数条件下预测搅拌摩擦焊成形缺陷的方法。将数值模拟的缺陷预测结果与实验结果进行对比,验证了本模型进行缺陷预测的可行性。为了研究焊缝成形缺陷产生的原因,对比分析了搅拌倾角、焊速等工艺参数影响搅拌摩擦焊温度及材料流动的规律,结果表明,增大搅拌头倾角可明显增加焊缝前进侧材料的焊接温度,增大焊速会小幅降低前进侧根部材料的焊接温度。同时,增大搅拌头倾角可增大搅拌头后方材料的接触压力,相应地可增大其摩擦驱动力,促使材料产生塑性流动;但增大焊速,会使接触压力降低,使材料因摩擦驱动力不足而流速过小,甚至停止流动形成孔洞型缺陷。     

轴肩下压量对6061铝合金搅拌摩擦加工过程影响的数值模拟

基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)网格自适应技术,建立了6061铝合金搅拌摩擦加工(FSP)全过程热力耦合模型,通过改变轴肩下压量,模拟分析了搅拌头旋转下压阶段及稳定加工阶段温度场分布特点,利用质点跟踪技术模拟研究了FSP全过程金属流动行为。模拟结果表明,轴肩下压量对旋转下压阶段峰值温度及均匀程度有明显影响。轴肩下压量的增加会改变材料质点与搅拌头相对位置关系,进而影响不同位置质点的材料流动行为。通过设置热电偶进行了FSP实验,将热电偶处实测温度与模拟结果进行对比,验证了数值模拟的可靠性。     

搅拌摩擦焊接头形成过程分析

基于搅拌摩擦焊三维模型的切面分析方法,建立了焊接过程中接头切面的演变行为,将搅拌摩擦焊接头形成过程分为挤出阶段、迁移阶段、回填阶段和轴肩作用阶段四个阶段,对搅拌针作用下材料迁移过程进行了分析,指出挤出阶段将原始对接面及其表面氧化物迁移到后退侧,迁移阶段实现洋葱环层状组织的形成,并实现氧化物的碎化、弥散,回填阶段完成洋葱环形貌的最终成形.结果表明,采用切面分析法建立的接头形成过程四阶段能够较好地解释搅拌摩擦焊接头形成机制以及"S线"等缺陷的产生原因.     

工艺参数对AZ31镁合金搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

以AZ31镁合金为研究对象,采用数值模拟和工艺试验相结合的方法,系统研究了焊接工艺参数对搅拌摩擦焊接头温度场分布、微观组织以及力学性能的影响. 有限元数值模拟的结果表明,随着转速的增加或焊接速度的降低,接头产热逐渐增加,接头上层温度明显高于下层温度,说明搅拌摩擦产热主要来源于轴肩的摩擦运动,而搅拌针摩擦运动和材料的塑性变形只提供了少量的产热. 工艺试验结果表明,随着焊接速度的增加,接头晶粒尺寸降低,且组织均匀性得到改善. 随着转速的增加,接头晶粒尺寸不断增大,过渡区晶粒的均匀性变差. 拉伸过程中裂纹在焊核区与热力影响区之间的界面处萌生和扩展. 其中,转速为1400 r/min、焊接速度为300 mm/min的接头具有较好的力学性能,断后伸长率为16.5%,抗拉强度为252 MPa,分别达到母材的75%和90%.     

2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2014铝合金进行了焊接，分析了接头缺陷的种类及形成原因。研究结果表明：搅拌头形状及焊接工艺参数对接头缺陷的形成具有重要影响；缺陷主要有孔洞、裂纹、飞边和沟槽四种；焊接缺陷的产生是由于在搅拌摩擦焊接过程中焊缝金属经历了不同的热机过程所致，过热或者塑性材料流动不足都会导致焊接缺陷的形成。     

铝合金搅拌摩擦焊材料流场非对称性的数值模拟研究

铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,搅拌头附近的材料在高温下发生剧烈的塑性流动。FSW过程中的材料流动直接关系到接头质量。由于运用试验直接观察手段研究固态金属的瞬态塑性流动十分困难,因此数值模拟是研究FSW过程中材料流动行为的重要手段。针对2024铝合金建立了基于计算流体力学(CFD)的材料流动模拟仿真模型,模拟得到了FSW过程中温度、塑性变形等物理量的三维分布。模拟结果与试验结果对比表明,温度场模拟结果与试验结果吻合良好;分析模拟结果发现,搅拌头附近材料应变速率并非对称分布。模拟结果表明,FSW过程中,材料在搅拌针前方分流,在搅拌针后方焊合,分流与焊合位置均位于前进侧;随着焊接速度的提高,焊合难度增大,从而使FSW过程中沟槽缺陷产生的倾向性增大。