5083铝合金与304不锈钢异种材料涡流搅拌摩擦搭接焊工艺研究

为解决铝/钢常规搅拌摩擦焊中搅拌头的磨损和断裂问题,对5083铝合金和304不锈钢进行涡流搅拌摩擦搭接焊工艺试验。通过焊缝表面形貌、接头力学性能和横截面界面组织分析,研究倾角、转速和焊速对涡流搅拌摩擦搭接焊接头质量的影响规律。结果表明：在低转速和低焊速条件下,获得了较好的焊缝表面成形;在转速不变的条件下,随着焊速的提高,界面可承受的拉剪载荷逐渐降低;在焊速不变的条件下,随着转速的提高,界面可承受拉剪载荷先略微增大后减小并维持稳定;搅拌工具以2.5°倾角进行涡流搅拌摩擦焊接时,相较于无倾角条件,可以获得更大的焊缝成形工艺参数窗口和更好的冶金结合强度;5083铝合金和304不锈钢界面结合的主要方式为Al原子向不锈钢中扩散,低转速-低焊速组合下形成的扩散层相对更厚。     

焊接参数对7075铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

使用搅拌摩擦焊(FSW)设备,采用不同搅拌针转速和焊速对厚6 mm的7075高强铝合金平板进行对接试验,并对不同焊接工艺下的接头进行微观组织观察和力学性能测试。研究结果表明:7075铝合金FSW接头由焊核区(WNZ)、热机影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)及母材区(BMZ)组成;随着搅拌针转速的增大,接头中焊核区的晶粒越大;随着焊速的增大,接头中焊核区晶粒越细小;不同工艺参数下的FSW接头显微硬度分布曲线都呈W形。随着转速的提高和焊速的减小,接头显微硬度升高,但波动范围较小;随着转速和焊速的提高,接头抗拉强度先降低后提高;转速为400 r/min,焊速为120 mm/min时,接头抗拉强度最高,为417 MPa,是厚6 mm的7075铝合金FSW最佳的工艺参数。     

型材结构搅拌摩擦焊全热力耦合仿真分析

基于DEFORM-3D软件建立三维全热力耦合有限元模型,对轨道车辆中典型的型材结构搅拌摩擦焊接过程进行仿真研究。分析了型材搅拌摩擦焊接过程中型材的温度场分布和材料变形情况,同时采用点追踪的方法研究前进侧和返回侧相应位置材料的流动特征,进一步讨论了搅拌头转速、焊速以及下压量变化对焊接温度和等效应变的影响。研究结果表明:温度场分布和等效应变分布与型材接头的结构特征相关;前进侧和返回侧材料变形和流动差异显著;焊接温度和等效应变随转速升高而升高,随焊速升高而降低;焊接温度随下压量增大而升高,等效应变对下压量变化不敏感。     

6061铝合金薄板无针搅拌摩擦对焊工艺参数研究

研究无针搅拌摩擦焊的主轴转速、焊速、下压量,时效等工艺因素对1 mm厚的6061-T6铝合金薄板对焊接头力学性能和组织的影响。结果表明,相同主轴转速下,随着焊速的增大,焊缝边部的飞边逐渐减少,理想的鱼鳞状环纹逐渐显现;相同的焊速下,随着主轴转速增加,焊缝表面毛刺和截面孔隙缺陷减少,但飞边增多。接头抗拉强度和伸长率随主轴转速的增加而增加;随焊速的增加,接头抗拉强度呈现先增加后减小的趋势;下压量对接头抗拉强度有重要影响,在本文的工艺条件下,接头抗拉强度在下压量为0.1 mm时达到峰值;自然时效可使接头的抗拉强度提高20%以上。在最优工艺下,接头抗拉强度可达到母材的73.4%,伸长率接近母材。焊核区(WNZ)为细小的等轴晶组织;热机影响区组织不均匀,再结晶的小晶粒分布在未再结晶的大晶粒边部;热影响区(HAZ)的晶粒受热长大,第二相粒子也聚集长大。与母材相比,焊缝区和HAZ硬度下降,晶粒细化使WNZ硬度提高。     

搅拌头尺寸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的影响

根据搅拌摩擦焊特点及库仑摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究搅拌头尺寸对温度场及残余应力场的影响规律。研究结果表明:纵向残余应力分布呈M形,最大值出现在轴肩边缘处;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径增大,峰值温度升高,残余应力峰值增大,且高应力范围变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值。与搅拌针长度相比,轴肩尺寸对峰值温度和残余应力影响显著。     

搅拌摩擦焊中轴向压力变化分析

利用置于主轴内部的压力传感器采集搅拌摩擦焊接过程中的轴向压力值,分析轴向压力的变化规律来进一步理解搅拌摩擦焊的焊接过程。结果表明,在搅拌针下压过程中,轴向压力先增加后减小,最高压力值随着旋转速度的增加而增加;在轴肩下压过程中,压力再次增加直至下压过程停止;在搅拌头前进过程中,轴向压力先增加随后进入稳定阶段,在焊接速度不变的情况下压力值随旋转速度的增加而减小,在旋转速度不变的情况下压力随焊接速度的增加而增大。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟

根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075-T7351铝合金板材为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究不同转速、焊接速度对温度场及残余应力场的影响规律.结果表明,焊接过程峰值温度在500℃左右,接头最高温度出现在搅拌头后部大约5 mm处;接头残余应力以纵向残余应力为主,在垂直焊缝方向上呈M形分布,最大值约为150 MPa;当搅拌头转速一定时,随着焊接速度的增大,峰值温度减小,峰值纵向残余应力增大;当焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大,且转速越大,纵向残余应力分布越均匀.     

6016铝合金薄板无针搅拌摩擦对焊工艺研究

采用无针搅拌摩擦焊工艺对1mm厚的6016铝合金薄板进行对焊,研究不同工艺参数下接头的宏观形貌、力学性能和微观组织。结果表明:在本文的试验条件下,接头的抗拉强度随搅拌头转速或焊速的增加先增大后减小,转速比焊速对抗拉强度的影响更显著。最佳工艺参数为转速1200 r/min、焊速300~400 mm/min,抗拉强度达到母材的90%。接头硬度曲线呈"W"形。焊核区完全动态再结晶,晶粒细化;热机影响区发生部分再结晶,组织内存在伸长变形的大晶粒和细小的再结晶小晶粒;热影响区未发生再结晶,组织中存在着长大的晶粒和聚集生长的第二相粒子。     

DP590钢/AA6061-T6铝合金异种金属对接搅拌摩擦焊温度场的数值模拟

为了研究DP590钢和AA6061-T6铝合金异种金属对接搅拌摩擦焊工艺参数对温度场的影响,优化实际焊接时工艺参数的可选择范围,首先建立了异种金属对接搅拌摩擦焊搅拌头摩擦生热的热输入模型,然后运用ABAQUS软件模拟出DP590钢和AA6061-T6铝合金对接搅拌摩擦焊的温度场,研究焊接过程中异种板材温度场的分布规律,最后通过调整焊接参数模拟出接头的温度分布,对比分析搅拌头偏置位置、焊接参数对接头温度场的影响。结果表明:钢铝异种金属对接搅拌摩擦焊焊接过程中的最高温度处位于DP590钢板侧,搅拌针偏置主要影响钢板的温度分布,搅拌头转速是影响焊接接头温度场的主要因素。     

焊接速度对5754铝合金FSW接头微观组织和力学性能的影响

对3 mm厚的5754铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，研究了搅拌头在转速800 r/min条件下，不同焊接速度(100 ~ 400 mm/min)对搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响. 结果表明，5754铝合金FSW接头横截面形貌呈“盆”形. 随着焊接速度增加，5754铝合金FSW接头的焊核区和轴肩区的面积逐渐减小，而搅拌针区面积先增加后减小. 当焊接速度为300 mm/min时，搅拌针区面积达到最大值6.66 mm2，轴肩区和搅拌针区面积比例为0.97，5754铝合金FSW接头的强度系数达到97.5%，这主要是因为轴肩区和搅拌针区面积相近，增大了焊核区和热影响区界面面积，从而提高了FSW接头强度，拉伸断裂在焊核区以外(热影响区或基材区)，断口为韧性断口. 当焊接速度为400 mm/min时，5754铝合金FSW接头的强度系数为58.8%，拉伸试样均断裂在焊核区，断口为脆性断口.     

搅拌摩擦焊接的三维欧拉模型

建立基于固体力学的搅拌摩擦焊接三维欧拉模型,并与文献的试验结果和ALE模型计算结果进行对比,验证了模型的正确性。基于此模型,进一步研究搅拌头轴肩及搅拌针等部位对总扭矩的贡献,结果表明,搅拌头轴肩对总扭矩贡献最大,搅拌头针部底面对总扭矩贡献最小,且总扭矩随搅拌头转速的增加而减小。搅拌头针部与轴肩的热输入比在不同搅拌头转速下维持在0.42附近,保证了无轴肩搅拌摩擦焊接过程的顺利进行。     

搅拌摩擦焊接的三维欧拉模型

建立基于固体力学的搅拌摩擦焊接三维欧拉模型,并与文献的试验结果和ALE模型计算结果进行对比,验证了模型的正确性。基于此模型,进一步研究搅拌头轴肩及搅拌针等部位对总扭矩的贡献,结果表明,搅拌头轴肩对总扭矩贡献最大,搅拌头针部底面对总扭矩贡献最小,且总扭矩随搅拌头转速的增加而减小。搅拌头针部与轴肩的热输入比在不同搅拌头转速下维持在0.42附近,保证了无轴肩搅拌摩擦焊接过程的顺利进行。     

焊接参数对AlCuLi合金搅拌摩擦焊接头微观结构和力学性能的影响

在不同的搅拌头转速及焊接速度下,对2 mm厚AlCuLi合金进行了搅拌摩擦焊接.结果表明,焊核区由细小等轴再结晶晶粒组成.随搅拌头转速增加,晶粒尺寸逐渐增加;随焊接速度增加,晶粒尺寸略有减小.TEM分析表明,焊核区的析出相大部分溶解,在随后的冷却过程中形成粗大的析出相,而在热影响区析出大量的粗大平衡相.在较低的焊接速度(80 mm/min)下,接头在热影响区的硬度最低点发生断裂,随搅拌头转速增加,接头强度逐渐升高,最高可达母材的87%,延伸率约为10%.而在较高的焊接速度(200 mm/min)下,搅拌头转速较低时,焊核区材料流动不充分,样品在焊核处发生断裂,强度较低,SEM分析表明,断口出现材料流动不充分导致的缺陷;随搅拌头转速增加,断口处缺陷明显减少,对强度影响不显著,接头强度可达母材的84%.     

2.5mm厚TC4钛合金搅拌摩擦焊的成形规律研究

使用轴肩直径为20 mm的钨铼合金搅拌头,采用三组不同的焊接参数对2.5 mm厚TC4钛合金进行了搅拌摩擦焊接试验。试验结果表明:搅拌头的形貌决定焊缝的横截面,即碗形;焊缝中出现了明显的热机影响区,材料向上迁移量随到焊缝距离的增加而减小。当固定焊速(50 mm/min)时,采用较小转速有利于孔洞缺陷的减小,这与不同焊接热输入引起的焊接拉应力密切相关。     

铝基复合材料搅拌摩擦焊过程中搅拌针的磨损预测（英文）

搅拌摩擦焊是铝基复合材料首选的焊接方法。这是一种固态焊接方法,可以防止熔焊中形成的金属间化合物导致力学性能下降。搅拌摩擦焊最主要的问题是搅拌针的磨损。磨损是由于搅拌针与复合材料中硬质增强相长期接触而造成的。本文综述了不同搅拌摩擦焊参数对搅拌针磨损的影响。研究发现,搅拌针的材料磨损量与搅拌针的转速和焊接长度呈正比,与行进速度呈反比。搅拌针的几何形状也与磨损量密切相关。搅拌针甚至可以转变成自优化形状以减小磨损。     

2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头组织和性能研究

通过选用不同材质的搅拌头进行2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊,并分析了不同工艺参数对接头宏观形貌以及微观组织的影响,得出H13钢搅拌头最适用于2024铝合金的回填式搅拌摩擦点焊。在有效工艺范围内,搅拌针转速越高,焊核区晶粒越细化;焊接时间变长,金属流动越充分,等轴晶粒得到细化;接头显微硬度以焊点为中心呈W形对称分布,焊点中心位置硬度相对均匀且较高。     

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。     

铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟及参数影响分析

对10 mm厚6061-T6铝合金,应用有限元软件COMSOL建立了搅拌摩擦焊有限元模型,模拟搅拌摩擦焊稳态温度场并分析焊速、转速变化对温度场影响。结果表明:温度分布曲线在x、y方向呈非对称的M型,返回侧峰值温度比前进侧峰值温度低约10℃,搅拌头后侧峰值温度比搅拌头前侧峰值温度高约25℃;焊接速度越大,峰值温度差值越大,转速越大,峰值温度差值也越大。焊接速度不变,转速等值增加时,x、y方向温度分布曲线等值上移,具有一定的平行性和相似性。转速不变,焊接速度等值增加时,x、y方向温度分布曲线以越来越小值下移。与转速相比,焊接速度改变对椭圆形的热影响区改变大,对椭圆率改变明显,对温度场影响显著。     

基于水雾冷却的薄板铝合金高转速搅拌焊接技术研究

设计了一种高转速搅拌摩擦焊机及配套使用的局部区域水雾强制冷却装置。试验表明,该设备能够对1 mm厚的6061-T6薄板铝合金进行对接,在高转速条件下,下压量为0.08 mm时,前进阻力随转速和焊接速度的增大而增大,其最大值不超过70 N;侧向力与焊接速度、转速的关系不明显,其最大值不超过60 N;轴向力随轴肩直径增大而增大,随搅拌针长度的增大而减小,其最大值不超过2.5 kN;在搅拌摩擦头转速为15 000 r/min、焊接速度为100 mm/min时,焊接接头抗拉强度达到265 MPa,为母材抗拉强度的87.2%。     

火焰辅助加热搅拌摩擦焊数值模拟与试验研究

搅拌摩擦焊(FSW)技术在高熔点材料上的应用仍然受限于搅拌头的寿命。在FSW过程中,搅拌针承受着巨大的剪切力和摩擦磨损。预热工件可以软化被焊材料,是提高搅拌头寿命的方法之一。本文进行了Q235钢氧-丙烷火焰辅助加热FSW数值模拟与试验研究;建立了火焰与搅拌头双热源模型,利用有限元分析软件ANSYS模拟分析了FSW过程中的热量传递过程,获得了被焊材料的温度场分布;进行了Q235钢的火焰辅助加热FSW试验研究,分析了对接焊时FSW接头热影响区、热力影响区和焊核区的显微结构,以及焊缝的显微硬度。计算得到的热影响区形状和尺寸与试验测量的结果基本吻合。