铝合金搅拌摩擦接头的熔焊工艺研究

搅拌摩擦焊接(FSW)技术从发明至今得到了迅速发展,目前铝合金材料的搅拌摩擦焊工程化已分别应用至航空航天、轨道车辆等领域,但在这些领域里其工艺制造方面有待进一步探索和完善。本文从工艺研究角度,分析6005A铝合金材料的搅拌摩擦焊缝表面进行MIG熔焊工艺特性,对其接头的机械性能进行研究,并得出铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头的熔焊可行性,为搅拌摩擦技术的工程化应用提供依据。     

搅拌摩擦焊接工艺过程的建模及热力耦合分析

搅拌摩擦加工技术是近些年发展起来的一种金属材料新型加工处理技术。搅拌摩擦焊接是一个复杂的温度场、流动场和力场相互耦合的、非线性的物理过程。基于FSW工艺过程热源的热力耦合模型,建立了搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型,并分析了各工艺参数对工艺过程仿真分析的影响,提出了铝合金搅拌摩擦焊接工艺过程的建模及热力耦合分析方法,为进一步优化FSW焊接的工艺参数提供了理论参考。     

搅拌摩擦焊工艺与机理的研究

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种利用高速旋转的搅拌头与工件磨擦产生的热量使被焊材料局部塑化的新型固相连接工艺。它可以对多种熔化焊接性差的有色金属等材料进行可靠的连接，而且连接工艺简单，有较好的工艺适应性。本文在总结搅拌摩擦焊研究成果的基础上，论述了搅拌摩擦焊的基本原理和特点，阐述了近年来国内外搅拌摩擦焊工艺参数、接头微观组织、焊接成形机理等方面的研究现状，并展望FSW的应用前景。     

先进的搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所20世纪90年代初发明并拥有专利权的一种固相塑性连接技术。目前,国内外研究较多的是各种铝及铝合金的搅拌摩擦焊。(1)搅拌摩擦焊原理及特点与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,搅拌摩擦焊的焊接过程是由一个带有探针和轴肩的特殊形式的搅拌头来完成的,如附图所示。先将探针插入被焊接板     

钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展

自搅拌摩擦焊发明至今,国内外开展了大量的有关搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)技术的研究与开发工作,并且已在轻合金结构制造领域得到大量实际应用。此外,基于搅拌摩擦焊原理发展而来的另一项技术--搅拌摩擦加工也得到广泛关注,并且在金属材料组织改性及复合材料制备方面显示了独特的优势。然而,由于受到高温搅拌头材料的限制,对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究相比铝合金要少了很多。本研究对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究进展进行简要概述,总结同质钢铁材料搅拌摩擦焊接、异质钢铁材料搅拌摩擦焊接、钢铁材料搅拌摩擦加工以及高温焊接工具材料等几方面的研究成果,指出其中存在的重要科学及技术问题,并对钢铁材料搅拌摩擦焊接以及搅拌摩擦加工的发展趋势及值得关注的问题进行展望。     

搅拌摩擦焊接技术研究进展

介绍了搅拌摩擦焊接技术的焊接工艺、焊接机理、焊接数值模拟及难点,提出应从复合搅拌摩擦焊接技术工艺和搅拌头的再设计等途径解决搅拌摩擦焊接高熔点合金与黑色金属的技术问题。     

搅拌摩擦焊产热机制的研究

通过研究搅拌摩擦焊产热的机制,建立摩擦产热的计算模型,对进一步理解FSW机理、优化焊接参数、获得高质量的接头具有重要作用。本文介绍了一种基于搅拌头与焊件间不同接触行为条件而建立的搅拌摩擦焊产热分析计算模型。     

铝合金搅拌摩擦焊的应用现状与发展趋势

一、概述 1991年英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊(FSW),从此以后,基于这种固相连接技术的明显优越性,例如:优良的接头力学性能,不需要填充焊接材料,没有焊接烟尘和飞溅,很少的焊前准备和焊接变形等,在世界范围内的国际合作中开展了大量的研究和开发工作。另外,搅拌摩擦焊可以焊接各种铝合金材料,甚至以前所谓的不可     

2524-T3铆接接头与搅拌摩擦焊接接头疲劳性能对比研究

通过2524-T3铝合金的搅拌摩擦焊接头疲劳性能对比试验,得到了母材、FSW对接接头、铆钉连接接头的疲劳S-N曲线。试验表明,搅拌摩擦焊的疲劳裂纹大多数起源于焊缝底部;2524-T3材料薄板的疲劳性能略好于厚板的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头疲劳性能要明显好于铆接接头疲劳性能。拟合得到了各种不同厚度,不同应力比下的S-N曲线公式,为搅拌摩擦焊技术应用于飞机结构积累了相关数据。     

MIG焊和FSW焊对铝合金焊接接头力学性能的影响

本实验对异种铝合金进行搅拌摩擦焊和熔化极气体保护焊焊接对比试验,试样进行显微硬度和拉伸性能进行研究。分析MIG焊与FSW焊对异种铝合金焊接接头性能的影响。     

搅拌摩擦焊返工工艺研究

本文阐述了搅拌摩擦焊工程应用化过程中隧道型缺陷产生的原因,通过实验分析6×××系列中空挤压型材在缺陷情况下进行修补的焊接工艺方法,对金相结构和力学性能对比分析,提出优化的焊接工艺参数,填补了产品工程化应用过程中有缺陷的搅拌摩擦焊产品返修技术空白。     

A study on mechanical characteristics of the friction stir welded A6005-T5 extrusion

In this paper, A6005-T5 extruded aluminum alloy sheets which are used for floor, roof or wall panels of railroad vehicles were welded by the friction stir welding (FSW) and gas metal arc welding (GMAW) techniques. The mechanical characteristics including the tensile strength, micro-hardness and fatigue strength of the FSW joint were compared to those of the base metal and GMAW joints. In order to determine the relationship between the welding variables of FSW and the mechanical characteristics of the joint, the response function was derived using the least square method and the sensitivity analysis was performed. The rotational speed, welding speed and tilting angle of the welding tool were chosen as design variables. On the basis of the Plackett-Burman design table, eight different FSW experiments were done, and then the effects of design variables on the mechanical characteristics of the FSW joint were analyzed. The result showed that the welding speed has a most significant effect on the tensile and fatigue strength. In the case of the micro-hardness, the effect of the tilting angle was the biggest.     

Numerical analysis of static performance comparison of friction stir welded versus riveted 2024-T3 aluminum alloy stiffened panels

Most researches on the static performance of stiffened panel joined by friction stir welding（FSW） mainly focus on the compression stability rather than shear stability. To evaluate the potential of FSW as a replacement for traditional rivet fastening for stiffened panel assembly in aviation application, finite element method（FEM） is applied to compare compression and shear stability performances of FSW stiffened panels with stability performances of riveted stiffened panels. FEMs of 2024-T3 aluminum alloy FSW and riveted stiffened panels are developed and nonlinear static analysis method is applied to obtain buckling pattern, buckling load and load carrying capability of each panel model. The accuracy of each FEM of FSW stiffened panel is evaluated by stability experiment of FSW stiffened panel specimens with identical geometry and boundary condition and the accuracy of each FEM of riveted stiffened panel is evaluated by semi-empirical calculation formulas. It is found that FEMs without considering weld-induced initial imperfections notably overestimate the static strengths of FSW stiffened panels. FEM results show that, buckling patterns of both FSW and riveted compression stiffened panels represent local buckling of plate between stiffeners. The initial buckling waves of FSW stiffened panel emerge uniformly in each plate between stiffeners while those of riveted panel mainly emerge in the mid-plate. Buckling patterns of both FSW and riveted shear stiffened panels represent local buckling of plate close to the loading corner. FEM results indicate that, shear buckling of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than compression buckling. Load carrying capability of FSW stiffened panel is less sensitive to the initial imperfections than initial buckling. It can be concluded that buckling loads of FSW panels are a bit lower than those of riveted panels whereas carrying capabilities of FSW panels are almost equivalent to those of riveted panels with identical geometries. Finite elem     

固溶处理对7B04-O铝合金搅拌摩擦焊接接头微观组织与力学性能的影响

对航空用3 mm厚的带有包铝层的7B04-O铝合金板材进行搅拌摩擦焊接(Friction stir welding,FSW),研究固溶处理对搅拌摩擦焊接接头的微观组织和力学性能的影响。结果表明,当转速为800 r/min、焊接速度为200 mm/min、焊接工具轴肩直径为12 mm时,可得到表面美观、致密无缺陷的搅拌摩擦焊接接头。焊核区发生动态再结晶,形成细小的等轴晶。经固溶处理后,焊核的上部及底部晶粒都发生了异常长大,而中部区域晶粒仍然为细小的等轴晶组织。焊态接头的拉伸试样断裂在母材位置,抗拉强度达到199 MPa,与退火态母材抗拉强度相当,断后伸长率达到12%。在新淬火状态下,接头的抗拉强度为310 MPa,为相同热处理母材的91.4%,断后伸长率为11.2%,试样断裂在焊核区,呈不完全的韧性断裂。     

铝合金搅拌摩擦焊技术研究

论述了搅拌摩擦焊的焊接方法、工艺过程和基本原理；通过大量的工艺参数优化，解决了焊缝中的孔洞问题，使ＬＦ６板材搅拌摩擦焊的焊缝达到与母材等强，ＬＹ１２焊后未经热处理，连接强度接近母材的８０（。由金相分析可以看出，搅拌摩擦焊属于固相连接，焊缝晶粒细小，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。初步应力测试发现，搅拌摩擦焊焊缝比熔焊焊缝的残余应力低。试验研究结果表明，搅拌摩擦焊焊接过程稳定可靠，焊接接头性能良好，具有广泛的应用前景。     

搅拌摩擦焊的研究进展与应用

搅拌摩擦焊是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进,通过搅拌头与工件的摩擦产生热量,摩擦热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使待焊件压焊为一个整体。本文简要地介绍了搅拌摩擦焊的原理及其优缺点,重点介绍了搅拌摩擦焊在无损检测、有限元分析、极限条件、界面复合物、疲劳等方面的最新研究进展以及搅拌摩擦焊在航空航天领域、造船业、陆路交通工业中的应用现状,并展望了搅拌摩擦焊的研究前景。     

搅拌摩擦焊下压力控制系统的开发及在模拟非刚性环境下的验证试验

搅拌摩擦焊接(Friction stir welding, FSW)是材料固态连接新技术,但FSW在焊接过程中一般会对工件施加较大的下压力,焊接设备和被焊工件在下压力的作用下均可能产生变形,使得常规FSW中设定的下压量这一关键参数偏离预期值,无法保证焊接工艺的稳定性。为了解决这一问题,开发一套下压力反馈控制系统,通过调节搅拌头对工件的下压量来调节下压力,使焊接过程中下压力保持稳定。该系统使用一台计算机作为顶层控制器,根据压力传感器反馈的实时下压力调节FSW设备Z轴的进给。使用该系统在悬空的钢板上焊接6082-T6铝合金平板对接焊缝,焊接过程中工件在下压力的作用下产生的弯曲变形高达0.931 mm,但所得的焊缝成形良好,沿焊缝方向不同位置的接头的横截面形貌基本一致,其横向拉伸应力应变曲线高度重合,接头的平均抗拉强度为222.8 MPa。结果表明,工件在下压力作用下产生变形的条件下,下压力控制的FSW系统仍能保证工艺稳定性。     

铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺研究

文中研究了铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺。冷板基底材料为6063 铝合金,盖板材料为3A21 铝合金。设计了窄搭接搅拌头,减小了轴肩宽度和焊接压力,增加了接头焊接时材料的流动性,针对不同焊深窄台阶冷板进行了窄搭接焊接工艺试验。研究表明,通过优化搅拌头形貌尺寸和工艺参数能够实现4-2（焊缝深度–台阶宽度,mm）、6-4 和9-6 的窄搭接搅拌摩擦焊焊接,焊接过程中进行定位预焊能有效避免产生焊缝S 型曲线,前进侧为6063 或3A21 时均能形成良好的焊缝。     

Mechanical properties of friction stir welding and metal inert gas welding of Al-Zn aluminum alloy joints

In this work, an Al-Zn aluminum alloy was welded using friction stir welding (FSW) and metal inert gas (MIG) welding methods. The comparison between microstructure and mechanical properties of the two different joints was mainly discussed. Results showed that defect-free joints can be obtained using both the two welding methods. Due to much less heat input, grains of the stir zone (SZ) of the FSW joint are finer than those of the MIG joint, resulting into higher hardness. Tensile strength of the MIG and FSW joints respectively reaches 68.6 and 73.2% of the BM. The FSW joints own much better fatigue properties than the MIG joints and reach its infinite life at using 90 MPa. The FSW joint owns two cracks during the fatigue test.     

铝合金车体非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备研制

现有搅拌摩擦焊修复设备多为固定龙门式结构,且需要背部刚性支撑,移动适应性较差。针对铝合金货车车体破损修复问题,提出一种采用搅拌摩擦焊对其进行在线修补作业的方案,设计了一种移动式非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备。为了解决非刚性支撑焊接修复过程中支撑力不足、大变形等问题,设计了旋转伸缩臂、花瓣式砧板等结构,为焊接提供足够的顶锻力,并利用有限元分析对花瓣式砧板结构进行优化设计,改善支撑效果;设计了铣焊半径自动调整结构,用于不同大小尺寸破损的修复焊接。该移动式非刚性支撑搅拌摩擦焊修复设备能够在不拆解车体板材的情况下,修复6 mm厚铝合金车体,现场实际应用表明：采用该非刚性支撑搅拌摩擦焊修复效果良好,焊接表面光滑无飞边,内部无沟槽隧道缺陷,焊缝抗拉性能达到母材的71.6%左右。