搅拌摩擦焊研究最新进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding．简称FSW)是一种新型固相连接工艺．它不仅能实现其他连接方式能够实现的接头，且能实现在熔焊条件下焊接性能差、易产生焊接缺陷的材料的连接，如高强铝合金、铝锂合金，使焊接接头的性能大大提高．本文分析了近年来搅拌摩擦焊技术的发展和最新进展，涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况适用母材、力学性能和焊接工具．     

置氢TC4钛合金搅拌摩擦焊接头组织及力学性能研究

首次对2 mm厚置氢TC4钛合金进行搅拌摩擦焊焊接开展了含氢量分别为0.1%和0.4%两种条件下的搅拌摩擦焊工艺研究,对比分析研究了置氢TCA钛合金FSW微观组织和力学性能,初步摸索出置氢TCA钛合金FSW热机加工行为,评价了置氢钛合金材料的FSW焊接性能,置氢TCA钛合金搅拌摩擦焊接头组织细化,热机加工性能明显改善.     

1060铝板搅拌摩擦焊工艺参数与接头力学性能间的关系

为研究3 mm厚1060铝板的搅拌摩擦焊工艺参数和接头力学性能之间的关系,使用经典函数关系式对焊接温度、晶粒大小和力学性能数据进行拟合。首先对厚度为3 mm的1060铝板进行搅拌摩擦焊试验,焊接过程中采用热电偶测量温度,然后利用显微镜分析接头组织形貌,最后对接头试样进行拉伸试验和硬度试验,并用扫描电镜分析断口特征。研究表明:焊接温度随搅拌头转速增大而提高,随焊接速度增大而降低,并且和搅拌头转速平方与焊接速度之比的0.168次方呈线性关系;焊接温度和焊核区的Zener-Hollomon数值的对数与焊核区晶粒大小的对数呈线性关系;焊核区晶粒大小与接头屈服强度符合Hall-Petch公式;硬度分布呈"W"形;断口主要呈韧性断裂。该研究结果可为搅拌摩擦焊生产工艺制定提供理论支撑。     

搅拌摩擦焊缝缺陷固相修复技术研究进展

搅拌摩擦焊是一种高效环保的固相连接方法,具有温度低、塑性变形剧烈和接头质量高等特点,可有效解决熔焊在石油储存罐及管道焊接存在的问题。但是,其受焊接参数、工况及该方法固有模式的影响,搅拌摩擦焊存在焊接缺陷,降低接头服役寿命。总结了搅拌摩擦焊缝存在的两大类主要缺陷（贯穿型和区域型）,包括特征和诱因,并重点综述了各种缺陷的高质修复技术,对接头性能改善、高效高质缺陷修复与工程化应用具有重要的指导意义。     

粉末冶金AA2024合金搅拌摩擦焊的组织和力学性能

本文通过搅拌摩擦焊(FSW)成功实现了粉末冶金AA2024铝合金挤压板材的焊接,在航空航天、汽车工业领域具有重要应用前景.为了确定FSW的最佳加工参数,对FSW接头的微观结构、力学性能和断裂行为进行研究.结果表明,当搅拌速度为2000 r/min、焊接速度为100 mm/min时,获得最优焊接接头性能,其抗拉强度、屈服...     

搅拌摩擦焊准稳态温度场数值模拟

搅拌摩擦焊接过程中的准稳态温度场分布对最终接头的焊接质量有着十分重要的影响,文中在深入分析搅拌摩擦焊物理过程的基础上综合考虑了摩擦产热和塑性变形产热作为其热源,建立了相应的温度场数值模型,在此基础上运用COMSOL有限元软件对工业纯铝1100在转速750 r/min、焊接速度300 mm/s工艺参数下的准稳态温度场进行计算,并利用红外测温装置对计算结果进行验证,结果表明该模型可以较准确地描述搅拌摩擦焊准稳态的温度场分布。     

2219-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能

为了探讨2219-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳断裂位置与区域局部力学性能及材料微观结构之间的关系,对铝合金2219-T6搅拌摩擦焊接头开展了疲劳试验研究.试样接头疲劳断裂处大多位于焊核区与热机区交界处及临近区域,在裂纹萌生处的亚表面发现有大的夹杂.焊核区有明显微空洞,小角度晶界最多.利用ABAQUS软件数值模拟接头疲劳,分析了接头局部区域力学性能.接头的热机区和焊核区的主应变值较大,这些区域较其他区域更易萌生疲劳裂纹.     

MB2镁合金板搅拌摩擦焊研究

采用不同的搅拌摩擦焊工艺对MB2镁合金进行焊接,并对焊缝的特点,组织形貌及力学性能进行了分析.试验结果表明,对厚为3 mm的MB2镁合金板,当焊接速度为95 mm/min和搅拌头旋转速度为1 600 r/min时,可以获得良好的焊接质量.     

2219铝合金搅拌摩擦焊接头裂纹尖端张开位移（CTOD）试验研究

采用裂纹尖端张开位移(crack tip opening displacement,CTOD)试验研究了2219铝合金搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)接头各区域的断裂性能,分析了搅拌摩擦焊接头组织结构对接头断裂性能的影响.研究结果表明,2219铝合金搅拌摩擦焊接头的断裂呈韧性,但接头各区域韧性分布呈现明显的不均匀性,焊核区断裂韧性最好,热机影响区和热影响区次之,但均高于母材的断裂韧性.     

加固用钢结构栓焊并用连接承载性能研究

栓焊并用连接节点在钢结构加固工程中具有很好的应用前景,但螺栓连接与焊接连接的刚度和延性的差异,使得栓焊并用连接受力性能复杂,其承载能力并不是螺栓连接与焊接的简单叠加。进行了高强度螺栓摩擦型连接与侧端部角焊缝并用连接试件承载性能的试验研究,得到了摩擦型高强度螺栓连接与角焊缝焊接的并用连接试件的承载力与螺栓和焊缝承载力的关系,分析了栓焊并用连接节点的承载性能。结果表明,高强度螺栓摩擦型连接与侧焊缝焊接连接在一定的强度范围内可以很好地共同工作。根据试验结果提出了栓焊并用连接节点的设计建议。     

搅拌摩擦焊工艺对镁合金焊接接头机械性能的影响

采用不同搅拌摩擦焊工艺焊接镁合金，通过拉伸、三点弯曲试验分析了工艺参数对焊缝机械性能的影响。结果表明，采用合适的搅拌摩擦焊工艺可以成功地焊接镁合金并得到成型美观、质量好的焊接接头，焊缝中因产生充分的塑性流动，弯曲强度高，性能好，在一定参数范围内，随着搅拌头旋转速度R，R/V增加，抗拉强度极限值增加；随着焊接速度V增加，抗拉强度极限值下降，当采用最佳的工艺参数焊接，可得到最大抗拉强度极限值，接近母材的90％。     

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能及断口特征研究

对84mm轨道客车用6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能以及断口特征进行试验研究。结果表明,搅拌摩擦焊接头疲劳循环次数随施加载荷减小而增加,当N=107时,疲劳极限值为110MPa,且疲劳断裂主要发生在前进侧热机械影响区。在预制缺口、相同载荷应力条件下,焊核区疲劳循环次数达7.4万次,断口表现为沿晶断裂,裂纹由疲劳源向四周扩展,晶粒细化提高了焊核区疲劳寿命;而前进侧热机械影响区疲劳循环次数最少为2.5万次,裂纹沿晶界向焊核区方向扩展,扩展方式为沿晶和穿晶混合断裂,晶粒发生弯曲变形以及第二相粒子剥离是接头ATMAZ疲劳性能下降的主要原因。     

Review: Progress and Trends in Ultrasonic Vibration Assisted Friction Stir Welding

综述：超声振动辅助搅拌摩擦焊接的研究进展与发展动向

Najib Ahmad Muhammad, 武传松, Girish Kumar Padhy

（山东大学 材料连接技术研究所,济南 250061）

创新点说明：

搅拌摩擦焊作为一种新型的固相连接技术,具有焊接质量高、成本低、环境友好等许多优点,已经应用于航空、航天、造船、高速列车等领域。由于这种焊接技术依靠搅拌头与材料的摩擦产热和材料塑性变形时的粘性耗散产热来软化焊接区材料形成连接,因此,焊接时需要很大的转矩、轴向压力和水平进给力。有研究者通过辅加热能来解决这一问题,但也受到了各种因素的局限。而超声振动能量作为机械能,在辅助搅拌摩擦焊接、解决上述问题方面有很大优势。

本文评述了当前超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺的研究进展,介绍了国内外近期研发的超声振动施加方式及相应的实施效果。作者课题组直接将超声振动通过工具头施加在搅拌头前方待焊工件上,研发出超声振动强化搅拌摩擦焊UVeFSW新工艺。实验研究发现,UVeFSW能改善焊缝成形、减少缺陷尺寸、降低焊接载荷、提高焊接速度、细化焊核区和热力影响区的晶粒组织。该文分析了各种超声施加方式的优缺点,为超声振动辅助搅拌摩擦焊的进一步研发提供参考。

关键词：搅拌摩擦焊;超声振动辅助搅拌摩擦焊;声致软化效应;焊接载荷;加热历程;材料流;微观结构;机械性能

     

材料性能对搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响

对2.88mm厚2024-O和2024-T6铝合金进行搅拌摩擦焊实验,并对2024-O接头进行焊后T6处理,研究材料性能对铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响。结果表明:所有焊态接头试样分为4个区,即焊核区、热机影响区、热影响区和母材,焊后T6处理接头焊缝部分发生异常晶粒长大,而且焊后T6处理高焊速接头出现了"S"线缺陷。2024-O接头焊缝硬度高于母材,而2024-T6接头焊缝硬度低于母材,2024-O接头T6处理后焊缝和母材硬度趋于一致。拉伸试验中,2024-O接头焊后T6处理无缺陷接头的抗拉强度相对2024-T6焊态接头高,说明2024-O接头焊后热处理能很好地提高接头强度。     

水轮机修复专用机器人焊接(MAG焊) Fuzzy控制器设计

为了在复杂环境下提高自动化焊接质量,依据模糊集合理论,结合项目工程实际应用需要,提出了水轮机修复专用机器人焊接系统构成,给出了模糊控制器的结构设计,选择焊接电压误差、焊接电压误差变化和送丝速度作为基本论域,建立了模糊控制器的控制规则．实际应用表明,在平板平焊情况下,其焊接平滑性、稳定性明显优于人工焊接质量．     

海洋工程水下连接新技术

介绍了高压TIG焊接技术以及北京石油化工学院水下连接研究小组在该领域取得的成果,特别针对深水应用的要求,介绍了几种具备较好应用前景的新技术,即高压MIG焊接、搅拌摩擦焊接、摩擦叠焊和径向摩擦焊接,最后提出了发展我国海洋工程连接技术的若干建议.     

基于FLUENT的铝合金搅拌摩擦焊流动场模拟

搅拌摩擦焊的流动场是一个不可压缩的粘性流场.结合LY16搅拌摩擦焊的流动场特征,采用建模软件GAMBIT建立了流场的有限元模型,并进行求解得到搅拌摩擦焊的流动场.     

铝合金搅拌摩擦焊缺陷及修补方法

针对搅拌摩擦焊缺陷特点、类型及产生原因进行了介绍,对搅拌摩擦焊缺陷检测和修补方法进行了针对性的分析,为加快搅拌摩擦焊技术在铝合金车体的推广应用提供依据。     

弧焊机器人系统的运动学求解

建立了Motoman SK6机器人和二轴倾斜/回转焊接变位机的模型,用Denavit-Hartenberg方法建立了机器人操作臂和变位机的运动学方程,实现了运动学正解. 根据机构特点用简化的几何解析法得到封闭形式的机器人运动学逆解,并实现了使变位机获得平焊位置的算法. 通过机器人系统的运动学和平焊位置算法,可以实现焊缝在平焊位置焊接,从而保证了焊接质量. 算法简单,且运行速度快,为实现弧焊机器人系统路径规划和离线编程奠定了基础. 经过图形仿真与实际下载到机器人控制柜上运行,表明计算结果可以满足平焊位置焊接的要求.     

5083铝合金搅拌摩擦焊焊核区非均匀性组织分析

利用小型搅拌摩擦焊机焊接5083铝合金板材,借助电子背散射衍射技术和取向成像分析软件对焊缝焊核区的焊核前进侧、焊核中心区和焊核后退侧的晶粒形貌和取向差角度进行了对比性研究.结果表明：经过搅拌摩擦焊接后,焊核区发生动态再结晶,晶粒由原始带状转变为等轴状,其大角度晶界含量相比于母材有明显增加,但不同部位的晶粒尺寸和大角度晶界比例均不同,焊核前进侧、焊核中心区和焊核后退侧的平均晶粒尺寸分别为17.0、15.8和13.5 μm,大角度晶界比例分别为76.4%、68.8%和73.2%.