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.     

6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟

基于ANSYS有限元分析软件,对3 mm厚的6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场进行了模拟,对比焊接接头形貌以及焊接热循环模拟结果与实测结果,并研究焊接速度、下压量、搅拌头旋转速度等焊接参数对摩擦焊峰值温度的影响。结果表明,搅拌摩擦焊焊缝形貌模拟结果与实测结果较为吻合,搅拌摩擦焊接进入稳态后,焊缝峰值温度基本稳定在510℃~512℃,随着距焊缝中心的距离增加,峰值温度逐渐降低,二者基本呈线性关系;峰值温度几乎随着焊接速度升高直线下降,随着下压量和搅拌头旋转速度的增加而升高,其中下压量和搅拌头旋转速度对峰值温度影响较大,而焊接速度对其影响较小。     

焊接工艺参数对LF5铝合金搅拌摩擦焊温度场的影响

以LF5铝合金为研究对象,利用有限元软件MSC.Marc建立了平板对接接头搅拌摩擦焊过程的有限元模型,分析了焊接过程的温度场.结果表明:由于热传导区域范围的减少,当焊接热源接近平板端部时焊缝区域的温度峰值上升,不利于接头性能;当焊接速度减少或搅拌头的旋转速度升高时,焊接过程中的温度峰值升高甚至超过母材熔点.综合考虑实际工程效率与温度场影响接头质量的规律,给出了搅拌摩擦焊焊接工艺参数的优选方法.     

5A06铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟

采用热量自适应热源模型,利用ANSYS有限元软件对5 mm厚5A06铝合金搅拌摩擦焊接过程温度场进行模拟,研究不同转速、焊接速度对搅拌摩擦焊温度场的影响。结果表明:当焊接速度提高或搅拌头旋转速度降低时,焊接过程中的峰值温度降低;焊接过程进入稳态后,峰值温度稳定在420°C左右;沿焊缝两侧温度场分布不完全对称,前进侧温度略高于返回侧温度。     

焊接参数对TC4钛合金FSW应力场影响的数值模拟

以TC4钛合金为研究对象,利用Abaqus有限元软件建立了搅拌摩擦焊过程的有限元模型,进行了焊后应力场的研究。数值模拟结果表明:焊后的纵向残余拉应力与高的Mises等效应力主要出现在搅拌区;纵向残余应力呈现典型的双峰分布规律,且峰值出现在搅拌区的两边缘。随焊接速度的减少与旋转速度的提高,搅拌摩擦焊接头的Mises等效应力峰值呈现上升的趋势。     

TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的温度场模拟

建立了TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的有限元模型,基于温度测试结果设置了搅拌摩擦搭接焊的边界条件,进行了搅拌摩擦搭接焊温度场的数值模拟,并对温度模拟结果与测温试验结果进行了对比。结果表明,温度模拟曲线与实测温度曲线趋势相同,二者的焊接温度峰值相差较小;焊接温度峰值随焊接速度的增加而减小。焊缝温度峰值出现在与搅拌头直接接触的区域,位于搅拌头作用区的后方。焊缝区域的温度场沿板厚方向呈上宽下窄的碗型形貌分布。     

616装甲钢复合热源搅拌摩擦焊工艺

采用氮化硅陶瓷搅拌头外加TIG电弧和背部加热垫板复合的方式对2 mm厚616装甲钢进行焊接试验. 分析了搅拌头转速、焊接速度、TIG电弧的预热电流、背部加热垫板的预热温度等在内的各项焊接参数对焊缝成形的影响,对比了不同参数下焊缝的成形状况,得到了预热参数与搅拌摩擦焊接工艺参数的匹配关系. 结果表明,与传统的搅拌摩擦焊焊缝相比,复合热源焊接的焊缝成形质量得到明显的提高. 在搅拌头转速为1 000～1 200 r/min,焊接速度为35～40 mm/min,预热电流为30～40 A,背部垫板预热温度200 ℃的焊接工艺参数下,能得到成形良好的焊接接头.     

铝合金搅拌摩擦焊接参数对温度场的影响

检测搅拌摩擦焊过程中铝合金薄板上各特征点在不同焊接参数下的温度变化规律，研究搅拌摩擦焊接参数对焊接过程温度场的影响。试验结果表明，在搅拌头旋转速度一定时，各特征点的温度峰值随焊接速度的增加而降低；在焊接速度一定时，特征点的温度峰值随搅拌头旋转速度的增加而升高。     

搅拌摩擦焊接头的温度检测

利用了搅拌摩擦焊接头温度检测系统，测量了中、薄铝合金板搅拌摩擦焊缝在不同特征点上的温度变化过程及其峰值温度，证实了搅拌摩擦焊过程中没有熔化现象，并获得了温度分布的大致规律。检测结果表明：不同搅拌摩擦焊功率、扭矩等焊接过程参量对应了不同的温度分布。     

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。     

曲面件搭接接头搅拌摩擦焊温度场的数值模拟及参数优化

采用点点之间连接的方法实现了曲面结构件的搅拌摩擦焊焊接热源模型的加载,研究了飞机中蒙皮与桁条结构的搅拌摩擦焊搭接接头温度场的动态变化过程.结果表明,随着焊接速度的减小、旋转速度的增加以及搅拌头压力的提高,搅拌摩擦焊过程中的温度峰值升高,焊缝区域的高温区域扩大.从提高材料流动性以及避免出现熔焊的角度,提出了搅拌摩擦焊焊接工艺参数的优化方案.     

旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响。结果表明：常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布。相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度。焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现“M”形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大。此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%。     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

铝合金搅拌摩擦焊过程热力演变的三维数值模拟

对搅拌摩擦焊过程中搅拌头速度变化进行分析,建立了考虑搅拌摩擦焊过程中焊缝产热的热源模型.对2024铝合金搅拌摩擦焊温度场和应力场进行了三维有限元模拟,表明焊缝两侧温度和应力分布的不对称现象不明显,主要由于焊接速度远小于搅拌头转速所致,但随着焊接速度加快,这种不对称现象逐渐加强.焊接过程中焊缝中心温度低于搅拌头边缘温度,焊接前方和两侧均为压应力,后方为拉应力;焊接结束后与搅拌头接触区的横向和纵向残余应力为较大拉应力,远离焊缝残余应力较小;沿厚度方向上,横向和纵向残余应力均逐渐降低.有限元计算结果与短波长X射线应力测试结果进行对比,结果表明,二者趋势基本吻合.     

搅拌头轴肩尺寸对2219铝合金摩擦搅拌焊接头性能的影响

使用有限元软件ANSYS建立了2219铝合金搅拌摩擦焊有限元模型,得到不同搅拌头轴肩尺寸的搅拌区峰值温度变化曲线,筛选出搅拌区峰值温度分别为熔点70%、80%、90%对应的搅拌头轴肩尺寸。以这些尺寸制作搅拌头,进行了焊接试验,并对焊接接头进行了拉伸试验和显微硬度试验。结果表明,使用轴肩直径为12 mm的搅拌头进行焊接时,其搅拌区峰值温度达到熔点的80%,得到的焊缝表面平整,无飞边毛刺;焊缝截面无未焊透、孔洞、隧道等缺陷;接头抗拉强度最高,为333.9 MPa,达到母材抗拉强度的82.5%。     

激光辅助搅拌摩擦焊

激光辅助搅拌摩擦焊(LAFSW)是一种新型的搅拌摩擦焊技术。原搅拌摩擦焊(FSW)的焊接热量由工件和搅拌头之间摩擦产生,该过程需要相对较大的动力,因此,便用搅拌摩擦焊技术的设备都是体积庞大,价格昂贵的。而LAFSW在搅拌头搅拌时利用激光能量加热工件,且激光可加热无传导性的材料如塑料、陶瓷等,因而,LAFSW可获得较低的搅拌头磨损、较高的焊接速度、较广的应用范围,采用LAFSW技术的设备体积小、价格低。激光辅助搅拌摩擦焊     

搅拌头压入速度和停留时间对2024铝合金搅拌摩擦焊接温度场的影响

针对2024铝合金对接焊,基于Abaqus软件平台,建立了搅拌摩擦焊接过程的有限元分析模型.模拟了焊接过程中搅拌头的压入、停留过程以及整个温度场的瞬态变化.模拟结果表明,降低搅拌头的压入速度以及延长搅拌头的停留时间都能使焊接压入端的温度峰值升高,但压入速度的影响相对不大.适当延长停留时间能使搅拌头压入端达到材料熔点温度的70％左右,有利于获得良好的焊接质量;但停留时间也不能过长,否则会造成焊接过程中的温度过高,甚至超过焊材的熔点.     

电阻辅助加热对2519A铝合金搅拌摩擦焊接成形性的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法探究了电阻辅助加热温度对2519A-T87铝合金搅拌摩擦焊接头成形性的影响，基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了电阻辅助加热搅拌摩擦焊的三维热-力耦合模型，分析了焊接过程温度场分布和材料流动行为，阐明了电阻辅助加热工艺消除搅拌摩擦焊隧道型缺陷的作用机理.结果表明，辅助加热工艺使焊接峰值温度从483℃提高至549℃，并增加了350℃以上高温区间的停留时间，扩大了高温分布区域，降低了材料变形抗力，增强了材料从焊核区后退侧运动至前进侧的流动性，使材料回填更充分，从而消除了焊缝内部隧道型缺陷.     

T2纯铜与AZ31B镁合金搅拌摩擦焊技术

针对T2纯铜与AZ31B镁合金异种金属进行了搅拌摩擦焊技术研宛,通过对搅拌摩擦焊过程中各特征点温度的检潮,初步获得了谈焊接过程的热循环规律.结果表明.距焊缝中心越远的特征点到达温度峰值的时间越晚,温度峰值越低.搅拌头轴肩边缘附近温度梯度最大.并对纯铜与镬合金搅拌摩擦焊的焊缝金相组织及缺陷进行了分析.     

2219铝合金搅拌摩擦焊温度与残余应力热力耦合模拟

针对航空用2219铝合金,基于搅拌摩擦焊产热理论开发了自适应移动热源,结合商用有限元分析软件MSC.marc,建立了搅拌摩擦焊过程的有限元模型。同时,对焊接过程中的动态温度场及焊后残余应力场的分布进行了详细研究。结果表明,焊接过程中稳定焊接温度达532.4℃,峰值温度达到570℃,焊后焊缝区域应力以纵向应力为主,垂直于焊缝的截面的应力呈M型分布,最大值约为146 MPa。此外,针对10 mm厚的2219铝合金板材开展了搅拌摩擦焊实验,利用Proto X射线仪对焊后残余应力进行测试,验证模型准确性。