基于钻铣床的搅拌摩擦焊设备设计

以ZX50CA钻铣床为研究对象,采用液压技术对其压下装置进行设计,设计出一台适用于镁合金薄板搅拌摩擦焊的设备,选用3 mm厚的AZ31镁合金板材进行对接焊接实验。结果表明:当搅拌头转速为1400 r/min、焊接速度为15 mm/min、压紧力为1500 N时,焊接接头表面成形良好。通过实验证明,该设备能够满足搅拌摩擦焊的工艺参数要求,适用于搅拌摩擦焊的实验研究,而且相对于大型专用搅拌摩擦焊设备,成本低,使用灵活、方便,为镁合金薄板搅拌摩擦焊设备的开发提供了很好的参考价值。     

搅拌摩擦焊设备和控制系统研究现状

搅拌摩擦焊设备是实现搅拌摩擦焊过程的前提和基础,搅拌摩擦焊技术的进步需要新型搅拌摩擦焊设备的支持。对搅拌摩擦焊设备和控制系统进行了介绍,对比分析了传统设备改造的搅拌摩擦焊机、搅拌摩擦焊专机以及工业机器人在刚性、柔性、成本等方面的特点。目前,由传统设备改造的搅拌摩擦焊机和搅拌摩擦焊专机仍然是搅拌摩擦焊生产的优选设备,其在刚性方面的优势为得到高质量的焊接接头奠定了基础。利用工业机器人进行搅拌摩擦焊具有很好的前景。焊接载荷控制系统一定程度上弥补了工业机器人刚性不足的缺点,大大扩展了该类设备的应用领域。     

薄板7075铝合金搅拌摩擦焊三维有限元数值模拟

薄板7075高强度铝合金在经过搅拌摩擦焊接后,存在不同程度的焊后残余变形,对精度要求较高的航空结构件的制造和装配带来了困难.本文通过建立4mm薄板7075铝合金搅拌摩擦焊热源模型,利用ANSYS对搅拌摩擦焊接过程中的温度场和应力应变场进行热机耦合数值分析,解释了薄板铝合金搅拌摩擦焊的温度场和表面残余应力的分布.采用古典摩擦理论建立合适的热源模型,将搅拌头的机械载荷和压板的压力考虑到模型当中.分析结果表明,此数值模拟对研究薄板高强度铝合金的搅拌摩擦焊具有一定的借鉴意义.     

基于田口法的高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊接工艺优化

超高旋转速度搅拌摩擦焊借助超高旋转速度摩擦热量实现了薄板高硅铝合金的连接,这一方法大大降低了搅拌摩擦焊接的轴向力,减小了焊接变形,对焊接薄板铝合金具有独特的优势。文中以焊缝成形质量和焊接接头抗拉强度作为响应值,基于田口法对影响焊接质量的主要焊接工艺参数(旋转速度、焊接速度和下压量)进行试验设计,优化高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊工艺。结果表明,焊接速度和下压量是显著影响因素,最优焊接工艺参数焊接速度为60 cm/min,旋转速度为14 000 r/min,下压量为1.8 mm。这一工艺条件下高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊接接头的最大抗拉强度为129 MPa,达到母材高硅铝合金抗拉强度的97%。     

基于田口法的高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊接工艺优化

超高旋转速度搅拌摩擦焊借助超高旋转速度摩擦热量实现了薄板高硅铝合金的连接,这一方法大大降低了搅拌摩擦焊接的轴向力,减小了焊接变形,对焊接薄板铝合金具有独特的优势。文中以焊缝成形质量和焊接接头抗拉强度作为响应值,基于田口法对影响焊接质量的主要焊接工艺参数(旋转速度、焊接速度和下压量)进行试验设计,优化高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊工艺。结果表明,焊接速度和下压量是显著影响因素,最优焊接工艺参数焊接速度为60 cm/min,旋转速度为14 000 r/min,下压量为1.8 mm。这一工艺条件下高硅铝合金超高旋转速度搅拌摩擦焊接接头的最大抗拉强度为129 MPa,达到母材高硅铝合金抗拉强度的97%。     

1.8mm2024-T4铝合金板的搅拌摩擦焊接

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为1.8mm2024-T4铝合金薄板进行焊接实验,通过高压水冷装置来控制由残余应力产生的失稳翘曲变形,并对焊缝的微观组织与力学性能进行了分析.结果表明:用搅拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-T4铝合金薄板可得到外表成形美观、内部无缺陷的平板对接接头.在冷却水压为0.4MPa、搅拌针旋转速度为2100r/min、焊接速度为120mm/min时,搅拌摩擦焊的焊接接头强度可达到377.9MPa,达到母材强度的80.39%.     

不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头温度场模拟

搅拌头技术是搅拌摩擦焊工艺的关键技术,不绣钢搅拌摩擦焊一个重要的难点是确定不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头的材料.此材料要求在1000℃或更高的温度下具有良好的耐磨性和韧性.采用搅拌摩擦焊工艺对3 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板进行了对接焊接.利用有限元软件DEFORM-3D初步模拟了在旋转速度600 r/min,焊接速度70 mm/min下焊接不锈钢时搅拌头的温度场分布.结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合.     

2024-T4超薄铝合金机器人搅拌摩擦焊接头组织及力学性能

机器人作为搅拌摩擦焊系统的载体时,由于其关节采用串联模式进行连接,在焊接过程中关节易发生变形,而变形的释放会导致焊漏等缺陷,制约了机器人搅拌摩擦焊系统在超薄板焊接过程中的应用. 针对上述问题,文中对0.5 mm厚超薄2024-T4铝合金板进行了机器人搅拌摩擦焊工艺研究. 结果表明,增加下压量或提高主轴转速成功实现薄板铝合金焊接,在主轴转速为2 500 r/min,焊接速度为600 ~ 1 000 mm/min工艺参数内,接头强度呈现升高趋势,最高可达408 MPa,达到母材90%. 接头硬度呈双“W”形分布,其断裂形式为韧性断裂.     

基于焊接机器人的铝合金厚板FSW接头性能

采用基于焊接机器人的新型搅拌摩擦焊机,进行了35 mm厚的5083铝合金板材的单道次对接焊试验,并与普通搅拌摩擦焊机所得接头进行了显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的对比与分析。结果表明,与普通搅拌摩擦焊机相比,基于焊接机器人的新型搅拌摩擦焊机获得接头的接头效率从66%提高至94%,屈服强度提高39 MPa;断后伸长率提高6.6%,腐蚀电位正移315 m V。     

铝合金T形接头搅拌摩擦焊研究进展

铝合金广泛应用于航空航天、汽车、船舶以及化学工业等领域中,T形接头作为铝合金薄板结构组装中的重要连接形式,对其焊接质量的要求也逐渐提高。采用传统熔焊的方式焊接铝合金T形接头时会导致应力集中、焊后残余变形大、多孔性等一系列问题。传统的搅拌摩擦焊具有产热少、焊前不用开坡口、焊后残余变形小等优势,很好的解决了这一技术难点。但是,传统的搅拌摩擦焊在焊后会产生大量的飞边以及弧纹缺陷。静止轴肩搅拌摩擦焊技术作为一种新型的搅拌摩擦焊技术,在铝合金T形接头焊接中具有很大的优势。文中综述了铝合金T形接头焊接特点、传统搅拌摩擦焊以及静止轴肩搅拌摩擦焊在T形接头中的研究进展,并对搅拌摩擦焊技术在T形接头的应用前景进行了展望。     

厚板在线冷却搅拌摩擦焊机器的创新设计与实现

通过对机械系统、液压系统、电气控制系统和在线冷却系统等的研发设计,开发出经济型的厚板在线冷却搅拌摩擦焊机,并成功实现15 mm厚AZ31镁合金厚板的高质量焊接。与普通搅拌摩擦焊机相比,采用厚板在线冷却搅拌摩擦焊机获得的接头表面光亮、无发黄现象,接头焊核区和热影响区的平均晶粒尺寸分别减小46%、33%,接头抗拉强度和冲击吸收功分别增加31%、58%。     

2519铝合金角接结构的搅拌摩擦焊

利用自行研制的搅拌摩擦焊机采用一种搅拌摩擦焊外侧角接的新方法对厚度为22 mm的2519铝合金进行了角接焊接试验,并对焊缝的微观组织、硬度等进行了分析.分析了搅拌针断裂原因及得出其断裂方式为剪切断裂.结果表明,搅拌摩擦焊外侧角接焊接的方法能够有效地进行角接焊接;合理的焊接工艺和搅拌针形状是焊接的关键;旋转频率在30～4...     

便携式搅拌摩擦焊设备研制可行性探讨

在分析搅拌摩擦焊原理的基础上,自制了便携式搅拌摩擦焊原理样机,进行了3 mm厚7A52铝合金薄板的焊接试验。结果表明,在辅助热源加热条件和外加作用力适当的情况下,搅拌头转速为800 r/min时,能够获得表面成形良好的焊接接头,验证了便携式搅拌摩擦焊设备研制的可行性。从设备、工艺和偏移力等方面分析了原理样机中存在的问题,并提出了相应的解决措施,为下一步研制搅拌摩擦焊设备提供了理论指导。接头的微观组织和显微硬度的测试分析表明,其与普通搅拌摩擦焊接头类似。     

铝合金6061高转速无倾角微搅拌摩擦焊温度分布研究

对0.8 mm厚6061铝合金超薄板微搅拌摩擦焊过程进行测温实验,并对微搅拌摩擦焊过程工件温度控制技术进行研究,分别研究了工艺参数如焊接速度、主轴转速、下压量以及焊接过程外加压缩空气冷却等因素对微搅拌摩擦焊过程工件温度的影响。测温实验结果表明,随焊接速度的升高,焊接热输入降低,温度峰值下降,冷却速度值减小,主轴转速越高,热输入越大,温度峰值上升,冷却速度值增大。当下压量增大,产热剧烈升高,下压量从0.05 mm增大至0.1 mm,距离焊缝5 mm处的温度峰值从72.28℃上升至115.06℃,增加了54.65%。在保证焊接质量的前提下,尽量降低下压量对控制温度峰值具有良好的效果。此外,外加气冷是控制温度峰值的有效手段,对冷却速度的影响最大。加气冷时冷却速度值增大约为未加气冷时的4倍,有利于降低高温停留时间,改善焊缝冷却过程。     

超声辅助搅拌摩擦焊2219铝合金接头的缺陷控制

为了研究超声的导入对FSW焊缝成型过程中缺陷的抑制作用,对2.5 mm 2219薄板铝合金进行常规搅拌摩擦焊(FSW)和超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)试验,从焊接变形、孔洞缺陷、残余应力值以及显微组织等方面进行了对比分析。结果表明:在相同的焊接参数下,超声的加入能够使得焊缝成型更美观,有效抑制焊接变形,降低残余应力值,减少焊缝孔洞、疏松等缺陷,提高焊缝质量稳定性。     

基于焊缝跟踪控制系统的机器人FSW实现及表面质量

焊缝跟踪控制系统的应用对机器人搅拌摩擦焊接接头的表面质量具有重要作用。为研究焊缝跟踪系统对机器人搅拌摩擦焊缝的控制效果,设计了一种基于激光视觉传感器和PD纠偏算法的焊缝跟踪控制系统。以3 mm厚2A12-T4铝合金板材为试验材料,进行了斜线焊缝的跟踪引导焊接以及曲线焊缝的纠偏焊接试验,观察分析焊速200mm/min下斜线和曲线焊缝焊接后接头的表面质量。结果表明:两种焊缝接头表面均匀平整,本试验设计的焊缝跟踪控制系统有助于提高机器人搅拌摩擦焊焊缝的表面成形质量。     

铝合金超薄板无倾角微搅拌摩擦焊接头组织性能

以0.5 mm厚LF3薄壁铝合金微搅拌摩擦焊搭接过程为研究对象,采用超小轴肩搅拌工具,研究了其无倾角微搅拌摩擦焊接过程,重点分析了微观组织分布特点和接头力学性能.采用内聚花纹锥形超小轴肩搅拌工具,依靠轴肩及搅拌针花纹的材料内聚效果,降低了焊缝宽度,焊缝宽度仅为3 mm,为微小薄壁壳体的焊接封装问题提供了可行的解决方案.搅拌工具的超高旋转频率运动,将搭接界面进行了充分的搅拌、混合和破碎,优于传统搅拌摩擦焊的Hook搭接界面.微搅拌摩擦焊搭接接头承载能力平均达到母材承载能力的89.6%.     

航空铝合金超声搅拌复合焊工艺及机理

分别采用超声搅拌复合焊(USCW)和搅拌摩擦焊(FSW)对厚度为1.8 mm的2524-T3航空铝合金薄板进行对接焊试验,对比分析USCW和FSW接头的外观、性能和微观组织。结果表明:USCW接头质量优于搅拌摩擦焊的,焊缝稳定性比FSW焊缝的好,USCW可实现近零缺陷焊接,而FSW焊缝缺陷率达50%以上。显微组织分析结果表明:USCW焊核区晶粒较搅拌摩擦焊更加细小、均匀;USCW焊缝热机影响区与热影响区较FSW的小。通过对超声搅拌复合焊的机理分析发现,超声波的热效应、体积效应和强振动效应,具有补偿焊缝中底部热量、强化金属塑性流动、细化和均匀组织的效果。     

铝合金搭接接头搅拌摩擦焊工艺研究

对LF2铝合金薄板，在摩擦搅拌焊焊机上进行了大量的搭接焊试验，通过对搭接接头成型时的特点及规律进行分析，总结了搭接焊过程中摩擦头转速、焊速等工艺参数对搭接焊缝质量的影响，确定了最佳焊接规范。结果表明，焊核区由平均尺寸6μm的晶粒组成，并且已无上下板的界面痕迹；因其晶粒度远小于母材，故拉伸断口均出现在接头的热影响区内；当摩擦头转速1100r／min，焊速在80～255mm／mm大范围内焊接时，接头质量均较高，焊速100mm／min时，接头剪切强度最大，可达到母材剪切强度的75％以上。     

异种铝合金焊接研究现状及展望

汽车轻量化应用过程中存在大量异种材料连接，针对国内外不同预制工艺、焊接工艺条件下异种铝合金TIG、MIG、激光焊接、搅拌摩擦焊接头的显微组织、性能及预测模型等相关研究进行综述和展望。异种铝合金激光填丝、激光复合CMT、铆接复合胶粘在薄板焊接领域具有广阔的前景，且通过微合金化及纳米颗粒化对焊丝成分进行调控是改善高强铝合金熔焊接头强度的有效方法。搅拌摩擦焊是2系/7系铝合金高质量连接的主要方法，且类似搅拌摩擦点焊、预制燕尾槽、预制孔中增加纳米颗粒、刀具偏移等新工艺可以为局部铝/钢，铝/铜，铝/碳纤维等其他异质材料高强度连接起到有效促进作用。