铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接传热与材料流动行为

基于耦合欧拉-拉格朗日有限元法数值模拟了铝合金5052与高强钢DP590搅拌摩擦搭接过程中的温度场演变和材料流动行为。结果表明,有限元预测温度场和焊缝变形轮廓与实验测量结果吻合良好。当移动速度保持300 mm/min恒定不变时,随着转速由500 r/min增至1 000 r/min,搅拌区峰值温度位置由前进侧的轴肩后方的铝合金表面转移至搅拌针底部与钢搅拌区的界面,峰值温度由545℃增加至635℃;在焊接过程中,前进侧温度始终高于后退侧温度,与转速无关。采用示踪粒子法研究材料迁移轨迹,发现前进侧铝合金从更靠近搅拌针的内侧剪切层绕过搅拌针填埋在搅拌针前进侧后方,而后退侧铝合金主要迁移至搅拌针后退侧后方,迁移轨迹比较发散;搅拌针作用在铝/钢搭接面,驱使前进侧钢材料迁移至搅拌针后退侧后方,并在垂直方向上挤入上侧铝合金焊缝区。随着搅拌针转动,由前进侧迁移至后退侧的钢材料最终促使后退侧形成尺寸较大的钩状结构。相比于铝合金侧,转速的增加更为显著地加强了钢表面的材料流动。     

厚板双轴肩搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟

针对30 mm厚5A06铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的焊接过程,建立温度场及流场的数值模型,计算两种搅拌工具作用下的温度场及流场分布情况。模拟结果发现,双轴肩搅拌摩擦焊接过程中,双轴肩搅拌摩擦焊温度场靠近轴肩区域的温度高,沿板厚中心方向温度逐渐降低,呈哑铃状分布,后退侧温度高于前进侧温度;采用锥形搅拌针焊接时的焊缝温度高于圆柱形搅拌针作用的焊缝。流动场模拟结果表明,工件上、下表面轴肩作用范围内的材料流动最为剧烈,工件内部材料流动相对较弱,采用平行槽结构的搅拌针材料呈横向流动规律,而螺纹结构的搅拌针作用下材料流动较紊乱,材料流动情况与两种搅拌工具作用下的焊缝形貌吻合较好。     

静止轴肩搅拌摩擦搭接接头的成形与冲击性能研究

以2024-T4铝合金为研究对象,研究了静止轴肩搅拌摩擦搭接焊接头的成形和冲击性能。结果表明,利用静止轴肩可获得表面无弧纹、小飞边、内部钩状缺陷和冷搭接高度较低的搭接接头。前进侧搅拌针作用区边缘的冲击韧性最低,焊核区次之,后退侧搅拌针作用区边缘与两侧的轴肩作用区边缘具有较高的冲击韧性。     

2219铝合金搅拌摩擦焊温度场的三维实体耦合数值模拟

为更贴近实际的模拟搅拌摩擦焊焊接过程中复杂的热力行为,试验通过建立三维搅拌摩擦焊过程数学模型,采用三维实体耦合的有限元方法来分析2219铝合金搅拌摩擦焊热过程和温度场分布.结果表明,搅拌摩擦焊焊缝的温度场梯度呈现上密下疏,前密后疏的分布状态,最高温度位于后退侧的搅拌针与轴肩的过渡区,焊缝后退边的温度高于前进边,搅拌针底部温度超过2219铝合金的再结晶温度,可确保对接接头根部形成紧密焊缝,模拟结果为研究搅拌摩擦焊的机理和优化搅拌摩擦焊焊接工艺提供了支持.     

5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能

采用不同的工艺参数对5083-OT与6005A-T6铝合金进行搅拌摩擦焊焊接。通过金相分析、XRD分析、拉伸性能等方法，研究焊接速度、轴肩直径及搅拌头偏移量等参数对5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响。结果表明：5083/6005A异种铝合金搅拌摩擦焊界面无明显脆性金属间化合物生成；焊核区组织发生动态再结晶，形成细小的等轴晶组织；前进侧热机影响区受到的机械搅拌作用力大于后退侧，晶粒变形大于后退侧热机影响区；热影响区组织仅受到热循环的作用，晶粒有粗化现象；随着偏移量的增加，使得焊核区和后退侧热机影响区硬度值降低，最低值出现在6005A侧热影响区，其抗拉强度、屈服强度、延伸率均逐渐减小，当焊接速度为600 mm/min、轴肩直径为12 mm、偏移量为0 mm时接头性能最好：抗拉强度为245 MPa，屈服强度为165 MPa，延伸率为5.67%。     

T形接头角接静轴肩搅拌摩擦焊三维流动特征

在T形接头横截面方向预置0.1 mm铜箔作为示踪材料，进行了角接静轴肩搅拌摩擦焊，焊后对T形接头角焊缝进行X-ray 2D透射和X-ray 3D扫描，得到了角焊缝示踪材料的2D流场和3D流场. 在前进侧热塑性材料主要以摩擦剪切为主，材料流动主要向焊接方向流动，并流向前进侧后方，后退侧材料主要以挤压为主，由于T接搅拌针螺纹的存在，使得材料整体向后退侧下方流动. 同时发现，在T接静轴肩后沿附近下方存在示踪材料"堆积区"，表明T接静轴肩对附近的材料塑性流动存在一定的阻碍作用. 根据所获得的观察结果，建立了T形接头角焊缝的三维流动主要特征模型.     

搅拌针几何形状对搅拌摩擦焊温度场的影响

利用完全热力耦合模型建立铝合金搅拌摩擦焊有限元模型,分析了在相同工艺条件下,锥形搅拌针和柱形搅拌针对焊接温度场的影响。结果表明,同一工况下,轴肩产热量高于搅拌针的产热量,且随着厚度的增加,温度的峰值曲线逐渐降低;温度场曲线关于焊缝中心线呈现为类Ω形,前进侧温度高于后退侧温度,其中上表面温度曲线在轴肩内为平台状,焊件内部及下表面为山峰状;相同条件下,锥形针产热量高于柱形针,随距焊缝中心线距离的增加,温度的差值也增大。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。     

6061-T5铝合金水平补偿搅拌摩擦焊接头力学性能研究

采用水平补偿搅拌摩擦焊技术对4 mm厚6061-T5铝合金板进行焊接,设计了水平补偿搅拌摩擦焊对接接头结构,测试焊接接头的强度、延伸率和硬度,分析接头的断裂形式。结果表明,对于4 mm厚的6061-T5铝合金,在搅拌头旋转速度为1 500 r/min、搅拌头轴肩压入量为0.2 mm、补偿凸台高为0.3 mm的条件下,焊速为400 mm/min时可获得抗拉强度为227 MPa且弯曲性能良好的接头。焊接接头断口存在明显的分层,有韧性撕裂的痕迹。接头硬度大致呈"W"型分布,后退侧的硬度高于前进侧,显微硬度的最大值出现在接头后退侧。     

轴肩尺寸对异种铝合金材料搅拌摩擦焊接头显微组织的影响规律

对5083铝/6082铝异种材料搅拌摩擦焊（friction stir welding,FSW）进行研究,重点分析轴肩直径对横截面形貌、显微组织与显微硬度的影响规律.结果表明,FSW接头焊核区由致密细小的等轴晶组成;增加轴肩直径可增加焊核区沿垂直焊缝方向的宽度以及增大焊核区、热影响区与热力影响区的晶粒尺寸.与后退侧的6082铝合金不同,前进侧5083铝合金的热力影响区发生了动态再结晶.显微硬度呈W形分布,最小值出现在热影响区.显微硬度的测试结果与焊核区的横截面形貌结果吻合.     

铝合金FSJ接头弧纹形成过程及主要影响因素分析

轴肩的偏心挤压在铝合金搅拌摩擦接头弧纹形成过程中起到了决定性作用.搅拌摩擦连接弧纹形成的过程是搅拌头偏心产生的长轴挤压软化的金属材料的过程,在长轴挤压下将产生弧纹的弧峰,两次弧峰间将产生弧谷,并且弧纹的产生可以进行数值表征.利用数值仿真对无针搅拌头进行连接过程的模拟可以得到弧纹,并利用试验方法进行了有针和无针搅拌摩擦焊接的对比.结果表明,无针的搅拌头也能产生弧纹,且弧纹的轮廓与有针时相同;弧纹的形成主要是搅拌头轴肩挤压的作用;搅拌头的前进速度越大,搅拌头的旋转频率越慢,则接头的弧纹间距将会越大;弧纹在后退侧形成的夹角比前进侧形成的夹角大.     

铝/镁搅拌摩擦焊异质接头热-力场仿真研究

铝合金和镁合金在多材料结构中的混合应用可有效实现轻量化效果,以搅拌摩擦焊为代表的新型固相焊接技术在铝/镁异种合金连接中的应用是焊接领域的研究热点。文中基于扭矩热源模型,利用Abaqus软件分析了搅拌头转速对6061铝合金/AZ31镁合金搅拌摩擦焊搭接接头热-力场的影响。结果表明:受搅拌头产热和热传导散热的共同作用,接头表面和横截面温度场分别呈椭圆状和碗状,焊缝前进侧温度高于后退侧。接头残余应力主要由纵向应力和横向应力构成,轴肩边缘同时受热应力和机械应力的作用而具有应力峰值。此外,接头峰值温度和残余应力值均随搅拌头转速的提高表现出不同程度的增大。相关研究结果可为铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺参数的设计与优化提供理论指导。     

基于MORFEO的采用不同搅拌针形状时沿板厚方向流动性的数值分析

基于专业搅拌摩擦焊有限元分析软件MORFEO的局部分析模块,对5 mm厚2024-T3铝合金薄板对接焊缝不同厚度处的材料流动性进行分析. 焊接速度为80 mm/min,转速为600 r/min时,对圆柱形和圆锥形搅拌针分别建模,后处理提取不同厚度水平面准稳态流线,得到材料流动特点:靠近轴肩质点运动最快;搅拌针前方质点绕过后退侧,最终沉积在搅拌针后方的后退侧,类似于回填作用;搅拌针为圆锥形时,质点可在搅拌针后方两侧均匀沉积. 在该焊接参数下,使用圆锥形搅拌针,铜箔作为标记材料进行试验,模拟结果得到了验证.     

厚铝合金板搅拌摩擦焊塑性金属不同深度的水平流动状况

通过在10mm厚LF2铝合金板的不同位置嵌入示踪Fe粉,进行搅拌摩擦焊对接实验,焊后截取不同深度的水平面试样,采用扫描电镜对试样进行能谱分析,通过观察Fe粉在焊缝金属中的水平分布,确定了10 mm厚LF2搅拌摩擦焊焊缝金属的二维水平流动状况.结果表明,塑性金属流动关于焊缝中心并不对称.焊缝下部金属受搅拌针作用,前进侧大部分金属与焊接方向相反向后流动,小部分金属向前流动,但都未进入返回侧;返回侧金属都向后流动,且有部分金属进入前进侧.焊缝上部金属主要受轴肩作用,前进侧大部分金属向前流动但未进入返回侧,小部分金属向后流动;返回侧金属沿旋转方向流入前进侧.     

7B52铝合金叠层复合材料搅拌摩擦焊过程的金属流动

7B52铝合金叠层复合材料(7B52 aluminum laminated composite,ALC)是一种新型材料,由两种7XXX系铝合金组成,本文研究了7B52 ALC搅拌摩擦焊接接头的微观组织。研究结果表明:与完整的洋葱环结构不同,7B52ALC搅拌摩擦焊接头仅仅在焊核区前进侧发现了类似洋葱环的鳞片状结构,而焊核区后退侧无明显图案且叠层结构保持完整。鳞片状结构是由洋葱环叠加和材料横向流动形成的横条纹共同组成的。本文提出了一种搅拌摩擦焊金属流动猜想,即焊核区前进侧和后退侧金属流动方式不同,横条纹是由部分向后移动填充搅拌针后方空腔的螺纹内塑性金属组成的。     

退火对5052铝合金搅拌摩擦加工性能的影响

为了寻求低能耗的铝合金强化工艺,分别对5052-H34和5052-O铝合金进行了搅拌摩擦加工(FSP),利用OM、TEM和拉伸研究了搅拌摩擦加工对铝合金显微组织和拉伸性能的影响。结果表明:退火处理和搅拌摩擦加工均可降低5052-H34合金的位错密度;5052-H34铝合金经搅拌摩擦加工后伸长率提高了111.8%,但搅拌摩擦加工对5052-O铝合金的力学性能影响不明显;搅拌摩擦加工引起的动态再结晶有利于获得细小的等轴晶,从而导致晶界面积和动态应变效应增加。因此,FSP试样拉伸曲线的应力降较明显。     

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明：相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。     

7075-T651铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力研究

采用对接形式对7075-T651铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,并采用盲孔法对其接头的残余应力分布规律进行了研究。结果表明,应力曲线为"M"型,焊核区最小,在邻近轴肩处最大。在焊接速度200 mm/min下,焊核的纵向残余应力为压应力。根据不同焊接速度下残余应力分布,发现随着焊接速度的提高,纵向残余应力增大,最大值从136MPa(200 mm/min)增大到275 MPa(300 mm/min)。另外,后退侧的残余应力比前进侧的大,随着焊接速度的减小,残余应力在前进侧与后退侧的差值减小。接头不同位置的微观组织分析表明,前进侧和后退侧不同的微观形貌也反应了残余应力的不对称性分布。     

不同错边尺寸对铝合金BT-FSW接头力学性能的影响

采用双轴肩搅拌摩擦焊方法对6005A-T6铝合金型材进行焊接，通过调整工件装配时的错边量来制备不同尺寸的错边接头，并对接头进行拉伸、弯曲、硬度、疲劳和断口扫描试验等，对6005A-T6铝合金焊接接头的力学性能进行了研究。试验结果表明：错边量对铝合金接头的拉伸性能有影响，随着错边量的增大，接头抗拉强度降低，而错边量对接头的弯曲性能和接头硬度影响不大；试件错边量对5 mm厚6005A-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头疲劳性能影响很大，前进侧或后退侧随着错边量的增大，疲劳极限值都会降低，疲劳性能下降。     

工艺参数对5754铝合金搅拌摩擦焊搭接接头剪切性能的影响

在旋转速度800 r/min和焊接速度300 mm/min条件下,对3 mm厚的5754铝合金板材进行搅拌摩擦焊搭接试验,研究了工艺参数(搅拌针长度、轴肩尺寸和上板承力位置)对搭接接头拉伸性能的影响规律。结果表明,搅拌针长度由3.2 mm增加到5 mm时,可以消除AS侧的隧道缺陷,但Hook缺陷依然存在于RS侧;当上板前进侧承力时,产生较大面积的隧道缺陷;当轴肩尺寸由12 mm增大到16 mm时,隧道缺陷消除,但是在AS和RS侧均存在Hook缺陷。5754铝合金FSW搭接接头的最大拉力和抗剪强度受隧道缺陷和Hook缺陷影响显著,当搅拌针长度5.0 mm或轴肩尺寸16 mm时,搭接接头的微观组织中没有隧道缺陷,并且Hook缺陷尺寸较小,5754铝合金搅拌摩擦焊接头的最大拉力较大,抗剪强度较高。