搅拌摩擦焊接中参数变化对温度场分布的影响

文章建立了搅拌摩擦焊接过程的三维有限元热分析模型,讨论了旋转速度、搅拌头半径、轴肩半径、搅拌针锥角以及螺纹角等焊接参数对工件温度场的影响。计算结果表明,在焊接过程中,工件的最高温度低于熔点,为固相连接。在焊接工艺参数许可的范围内,旋转速度和搅拌针半径的增加,会使搅拌摩擦焊接过程中的最高温度值增加,而锥角和螺纹角增加,会使最高温度值随之减小,轴肩半径的改变对工件温度场的影响相对较小。     

6mm厚6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法研究

针对6 mm厚6061-T6铝合金板材,设计制造了不同结构形式和尺寸规格的双轴肩搅拌摩擦焊工具,并对搅拌摩擦焊工具的结构形式和尺寸规格对焊接过程及焊接接头质量的影响进行了系统的分析研究：设计制造了两体式和三体式双轴肩搅拌摩擦焊工具,并对两种结构形式进行分析;设计制造了环状轴肩和凹面轴肩,通过焊接工艺试验得知凹面轴肩焊缝成形性优于环状轴肩;设计制造了正-反螺纹搅拌针、正螺纹搅拌针、整圆柱搅拌针和圆柱铣扁搅拌针;圆柱铣扁搅拌针焊缝焊接质量优于其他三种结构形式的搅拌针。采用凹面轴肩和圆柱铣扁搅拌针组装成的搅拌头,对6 mm厚6061-T6铝合金板材进行焊接,在主轴转速为800 r/min、焊接速度为150 mm/min工艺参数下,焊接接头得到最大抗拉强度值为220MPa,达到母材抗拉强度（315 MPa）的70%。     

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.     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌针锥角和预热对温度分布的影响

搅拌摩擦焊(FSW)被广泛应用在工业上,用来连接有色金属,尤其是铝合金。采用基于有限元分析的三维模型研究FSW过程中铜C11000的热特性。模型包含了搅拌头的机械作用和待焊接材料的热性能,以材料和搅拌针以及轴肩之间的摩擦作为热源。结果表明,温度的预测结果与实验结果具有良好的一致性。此外,数值模拟方法可以简单地应用于测量搅拌头下方工件的温度。研究了预热温度和搅拌针锥角对温度分布的影响。搅拌针锥角的增加可提高焊缝周围的温度,但预热不会影响焊缝周围的温度分布。     

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%。     

铝合金超声搅拌复合焊接

铝合金的搅拌摩擦焊（FSW）通常在焊接区形成上高下低”浅漏斗状”的温度场,使焊缝厚度方向的组织性能差异较大．为了得到更好的焊接效果,文中提出超声搅拌复合焊思想,将超声波通过搅拌头导入焊缝纵深处,以改善焊缝组织性能．试验采用2．5mm厚的2219铝合金分别用上述两种方法进行焊接,并对焊缝的微观组织和力学性能进行了分析比较...     

铝合金搅拌摩擦焊温度场的数值模拟分析

基于粘着摩擦理论,建立了4 mm厚7075铝合金FSW过程中的产热模型,对同种铝合金对接焊中的温度场进行了数值模拟,并得出了焊接过程中温度场的分布规律:高温区位于轴肩的正下方焊核区,且在沿焊缝方向的横截面上整体呈现"碗状";搅拌头前方的温度梯度比后方的温度梯度大,高温区相对于后方也较窄;对于所有焊接工艺参数下的温度峰值均未超过母材熔化点,表明搅拌摩擦焊接过程一直处于固相连接状态;旋转速度与焊接速度对峰值温度有一定的影响。     

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。     

伸缩式搅拌头厚铝板搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺

采用伸缩式搅拌头对25 mm板厚2219-T6铝合金进行搅拌摩擦焊,在多道补焊时避免搅拌头轴肩的二次下压量造成的底部焊穿。对25 mm板厚2219-T6搅拌摩擦焊焊缝的微观组织、材料缺失型缺陷及弱连接型缺陷进行观察。结果表明:焊缝沿厚度方向分为轴肩影响区和搅拌针影响区,焊接参数的变化与这两区域中缺陷的产生存在一定关系,焊缝中的材料缺失型缺陷遵循一定的体积守恒关系。利用伸缩式搅拌头制备不同尺寸的焊缝根部未焊透缺陷,发现未焊透的深度与焊缝抗拉强度呈非线性关系。在统一的焊接参数规范下,调整搅拌针伸出长度进行多道焊,研究多道补焊工艺对焊缝组织性能的影响。     

铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷及焊件结构问题控制策略的研究进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是近些年发展起来的一种固态连接工艺,尤其适用于铝合金材料的焊接。概述了搅拌摩擦焊的局限性,主要包括接头处存在钥匙孔、焊缝减薄等缺陷及复杂结构铝合金难以焊接等问题。研究表明,通过工艺方法、流程及参量的优化能够对焊接接头缺陷和焊件结构问题进行有效控制。由此,归纳了铝合金搅拌摩擦焊接头存在的关键问题及解决策略,分析了每种工艺方法的适用对象及条件,包括摩擦塞焊(Friction Plug Welding,FPW)、填充式搅拌摩擦焊(Filled Friction Stir Welding,FFSW)、回抽式FSW、静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welded,SSFSW)、沉积式FSW、双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding,BT-FSW)和无倾角FSW。详细探讨了每种工艺的原理和机制,阐述了每种工艺的优缺点,重点介绍了工艺的参数优化调控、辅助设备的添加及工序的改进对修复接头组织与力学性能的影响。对铝合金搅拌摩擦焊的回顾总结,将为获得高质量搅拌摩擦焊接头,实现复杂结构件焊接提供参考依据。在此基础上,对铝合金搅拌摩擦焊现存问题及挑战的解决进行了展望。     

搅拌针锥度和螺纹头数对厚板铝合金FSW焊缝金属迁移的影响

研究了20 mm厚2024-T4铝合金板材在搅拌摩擦焊过程中,搅拌针锥度与搅拌针表面螺纹头数对焊缝塑性金属在搅拌针周围迁移程度的影响.结果表明,随搅拌针螺纹头数增加,搅拌头旋转1圈时搅拌针螺纹所转移的高温金属量增加,焊核中塑性金属在前进边和返回边的轴向上迁移程度增加,宏观表现为焊核高度、宽度和面积增大;搅拌针锥度由25°减少至15°时,焊缝塑化金属量增加,焊核塑性金属在焊缝横截面上横向和轴向的迁移程度都增大,焊核面积增大.采用多头螺纹和较小锥度的搅拌针,可以改善厚板焊接时温度梯度大、焊缝金属流动不充分的问题,保证焊缝冶金质量.     

铝/钢搅拌摩擦焊金属间化合物调控研究进展

铝/钢异种金属的可靠连接是汽车行业实现轻质节能设计的重要途径. 铝和钢的热物理性能和化学性能差异大，采用固相焊方法连接较为适宜. 搅拌摩擦焊(friction stir welding, FSW)具有热输入低、高温停留时间短和焊接变形小等特点，在连接铝/钢异种金属上具有较大的优势和潜力. 铝/钢异种金属FSW高质量的核心技术之一为界面金属间化合物的调控. 基于铝/钢FSW固相连接机制，文中从焊接参数(焊接速度、焊具转速、偏移量、倾斜角和下压量)、焊具结构(搅拌针形貌、螺纹及锥角)和中间层(铝和锌等)设计等方面对界面金属间化合物调控的研究现状进行了综述，并围绕接头承载能力的提升总结了铝/钢FSW新技术(匙孔填充、自铆接及外源辅助FSW)，并进一步展望了铝/钢FSW的发展趋势.     

20mm厚2219铝合金可回抽搅拌摩擦焊接及接头组织和性能分析

为了解决封闭环缝的焊接匙孔问题,研究了采用可回抽搅拌摩擦焊接进行匙孔消除的焊接工艺. 在厚板可回抽焊接过程中,搅拌针末端的瞬时空腔问题受体积效应影响将更为显著且更难控制. 研究了不同回抽焊接长度下20 mm中厚板2219铝合金可回抽焊接接头的内部质量、组织形貌和力学性能. 结果表明,在焊接速度100 mm/min、搅拌头转速400 r/min的参数组合下,回抽焊接区长度为200 ~ 500 mm时,可获得无内部缺陷的可回抽搅拌摩擦焊焊缝;回抽焊接区接头横截面上存在2个焊核,靠近焊缝上表面的焊核大小随着回抽过程不断减小;一次焊接、重复焊接和可回抽焊接接头的拉伸性能依次降低,且可回抽焊接接头的力学性能随着回抽距离的增长而有所提升;在实际工程应用中回抽距离500 mm为较优的参数选择.     

高速列车铝合金车身双热源搅拌摩擦焊仿真

高速列车采用超长铝合金型材作为车身新材料。搅拌摩擦焊以固相连接原理成为高铁车身制造新工艺。针对单热源模型不足,考虑搅拌轴肩转动摩擦生热和搅拌头塑变剪切生热,建立搅拌摩擦焊双热源有限元模型。基于传统熔焊方式,实现满足搅拌焊特征的双面挤压型材接头变形设计。通过ANSYS二次开发,完成该工艺移动瞬态热交换数值仿真,获得焊接全程三维温度场分布,仿真结果与试验数据吻合良好。结果表明,该仿真模型可行．仿真结果合理,为高铁车身国产化制造工艺吸收和工艺优化提供参考。     

厚板铝合金搅拌摩擦焊接头不同状态微观组织与力学性能

对14 mm厚2219～O铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,研究了无缺陷、有缺陷和经焊后热处理的接头分层切片的微观组织、力学性能和断裂方式.结果表明:无缺陷接头的抗拉强度σb和屈服强度σMM0.2分别从上部的160.8和96.8 MPa下降至底部的146和86 MPa;有缺陷接头的σb和σ0.2分别从上部的132.9和94 MPa下降至底部的126和78.8 MPa;经焊后热处理的试样中部的σb最高,达到243.8 MPa,而上部的σ0.2最高,为123.3 MPa;延伸率δ则依次升高,无缺陷,有缺陷和热处理后接头的δ分别由上部的6.7%,4.8%和7.5%升高至底部的10.1%,8.5%和14%.经焊后热处理的接头焊核区晶粒沿厚度方向更均匀和细小,力学性能明显提高,并以韧性断裂为主,显微硬度波动很小.对于有缺陷接头,焊接缺陷严重降低了接头的力学性能,主要以韧-脆混合方式断裂,各分层的显微硬度均低于无缺陷接头.     

Numerical and Experimental Investigations on the Loads Carried by the Tool During Friction Stir Welding

A computational fluid dynamics (CFD) model is presented for simulating the material flow and heat transfer in the friction stir welding (FSW) of 6061-T6 aluminum alloy (AA6061). The goal is to utilize the 3-D, numerical model to analyze the viscous and inertia loads applied to the FSW tool by varying the welding parameters. To extend the FSW process modeling, in this study, the temperature-dependant material properties as well as the stick/slip condition are considered where the material at the proximity of the FSW tool slips on the lower pressure regions. A right-handed one-way thread on a tilted FSW tool pin with a smooth, concaved shoulder is, additionally, considered to increase the accuracy of the numerical model. In addition, the viscous and frictional heating are assumed as the only sources of heat input. In the course of model verification, good agreements are found between the numerical results and the experimental investigations.     

Developing an Empirical Relationship to Predict Tensile Strength of Friction Stir Welded AA2219 Aluminum Alloy

AA2219 aluminum alloy (Al-Cu-Mn alloy) has gathered wide acceptance in the fabrication of lightweight structures requiring a high strength-to-weight ratio and good corrosion resistance. Friction stir welding (FSW) process is an emerging solid state joining process in which the material that is being welded does not melt and recast. This process uses a nonconsumable tool to generate frictional heat in the abutting surfaces. The welding parameters such as tool rotational speed, welding speed, axial force, etc., and tool pin profile play a major role in deciding the joint strength. An attempt has been made to develop an empirical relationship between FSW variables to predict tensile strength of the friction stir welded AA2219 aluminum alloy. To obtain the desired strength, it is essential to have a complete control over the relevant process parameters to maximize the tensile strength on which the quality of a weldment is based. Therefore, it is very important to select and control the welding process parameter for obtaining maximum strength. To achieve this various prediction methods such as response surface method (RSM), analysis of variance (ANOVA), Student’s t-test, coefficient of determination, etc., can be applied to define the desired output variables through developing mathematical models to specify the relationship between the output parameters and input variables. Four factors, five levels central composite design have been used to minimize number of experimental conditions. The developed mathematical relationship can be effectively used to predict the tensile strength of FSW joints of AA2219 aluminum alloy at 95% confidence level.