静止轴肩对FSW温度与应力影响的数值模拟

目的研究外部辅助静止轴肩对搅拌摩擦焊接过程温度场以及应力场的影响。方法建立有限模型并采用热机耦合的方法分析常规与静止轴肩辅助工艺下7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程,得出不同工艺下的焊接温度与应力分布状态。对比常规与静止轴肩工艺下的温度与应力结果,得出静止轴肩对焊接过程中温度与应力的影响规律。结果焊缝横截面的高温区域均呈现出上宽下窄的碗型分布。相比于常规工艺,静止轴肩辅助工艺的焊缝区域温度具有上升速度较慢、下降速度较快的特点,且温度峰值低了55.7℃。静止轴肩具有随焊碾压的作用,在焊接过程中为焊缝区域提供一个额外的压应力,抵消焊接过程中产生的拉应力,焊后残余应力降低了17.4%。结论静止轴肩辅助工艺对焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的降低均具有明显效果。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来，对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展，但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向（温度场、流场和组织性能）的研究现状。     

大容量海上风电塔筒纵焊残余应力和变形的数值模拟

目的 探索不同埋弧焊工艺参数对大容量海上风电塔筒纵焊数值模拟温度场、应力场和变形量的影响规律,选择最优焊接参数以提高焊接接头的性能,获得最佳的焊接质量。方法 利用Abaqus有限元分析软件,建立了塔筒纵焊多层多道焊接的有限元模型,分析了4种不同焊接电压和焊接电流方案对温度场、应力场和变形量的影响规律。结果 不同的热输入导致温度场存在显著差异,温度峰值随焊接电流和电压的增加而增加。应力场分析结果显示,方案一的残余应力最小,其中沿P2路径,纵向残余应力为344 MPa,横向残余应力为340 MPa,沿P1路径,纵向残余应力为187 MPa,横向残余应力为251 MPa。随着电流和电压的增加,残余应力增加。焊缝中轴线上的残余应力主要表现为拉应力,且拉应力的方向垂直于焊缝,而热影响区的主要应力为压应力,离焊缝方向越远,应力越小。变形量分析结果显示,方案一的变形量最小,为13.01 mm,方案四的变形量最大,为14.87 mm,随着电压和电流的增加,焊后最大变形量呈递增趋势。结论 当焊接电流为550 A、焊接电压为25 V时,工件在焊接过程中的温度波动较小,残余应力较低,焊后变形量较小,因此焊接接头表现出较好的性能,焊接质量最佳。     

焊接残余应力数值模拟的研究与发展

分析了用有限元法计算焊接残余应力的基本理论,其中包括温度场和应力场的数值模拟,介绍了焊接残余应力数值模拟方法的近期研究成果,并探讨了焊接残余应力数值模拟技术的发展趋势.     

纯铝板搅拌摩擦焊温度场数值模拟

建立了搅拌摩擦焊热源模型,利用有限元分析软件ABAQUS模拟了搅拌摩擦焊的温度场,研究了焊接速度、搅拌头轴肩尺寸和垫板材质对搅拌摩擦焊接过程中试板的温度场的影响。结果表明：随着焊接速度的提高,焊件上各点的峰值温度降低,经历高温区的时间减少;轴肩摩擦热是热输入的主要来源,随着搅拌头轴肩尺寸的增加,焊缝中心高温区同一等温线上宽下窄的分布特征越来越明显;垫板材质明显影响焊件底部的温度和分布;适当的焊接参数、搅拌头尺寸及散热条件对获得较好的焊缝质量极为重要。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来,对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展,但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起.简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向(温度场、流场和组织性能)的研究现状.     

喷丸处理对2219铝合金搅拌摩擦焊焊接残余应力的影响

对2219铝合金板进行了搅拌摩擦焊(FSW)和喷丸处理,采用X射线衍射仪(XRD)测量了搅拌摩擦焊和喷丸产生的残余应力,分析了残余应力的分布特征,研究了弹丸直径、弹丸材料、喷射距离等参数对搅拌摩擦焊接残余应力分布的影响。结果表明：焊接后,焊缝附近存在较大的残余拉应力,焊缝中心线±20 mm范围内的平均应力高达100.9 MPa,而远离焊缝的母材区域接近零应力状态;喷丸后,试样残余应力分布发生显著变化,表层残余应力表现为压应力,并且该压应力数值随着深度的增加先增大后减小,最后保持为拉应力;增大弹丸直径可提高最大残余压应力值和残余压应力层深度,但当弹丸直径继续增大至1.2 mm时,最大残余压应力值不再继续增大;选用合适的弹丸材料可获得理想的残余压应力分布情况;随着喷射距离的增大,最大残余压应力值和残余压应力层深度先增大后减小。     

基于自适应面-体热源模型的6005A-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场数值模拟

以3 mm厚6065A-T6铝合金板为研究对象,利用ABAQUS软件模拟静止轴肩搅拌摩擦焊接过程中温度场以及焊缝区域各点的热循环曲线,研究不同焊接速度对焊缝区域温度峰值的影响规律。结果表明：随着焊接速度的增大,热源中心的峰值温度逐步降低,焊核高温区域面积明显减小。常规搅拌摩擦焊横截面温度云图呈上宽下窄的“碗状”分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊的则类似于搅拌针的“锥形”形貌。在相同工艺参数下,静止轴肩搅拌摩擦焊相比于常规焊接工艺,能使焊核区域峰值温度降低大约30℃,所得的横截面温度场分布也更均匀。金相实验观测到的接头横截面形貌与模拟结果相匹配,有限元模拟结果与温度场实测结果良好吻合,说明所建立的自适应面-体热源模型能指导和预测实际焊接过程。     

双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析

目的 研究铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场规律。方法 以2024铝合金为研究对象,借助FLUENT软件,综合考虑了温度和应变速率对铝合金粘度的影响,采用修正的本构模型,分析了典型双轴肩搅拌摩擦焊接条件下接头温度和速度特征。结果 搅拌头边缘,应变速率较大,接近1000 s-1;温度场呈现出对称的哑铃状分布,最高温度为751 K,达到2024铝合金熔点的83%;前进侧温度大于后退侧温度,前进侧温度为640 K左右,后退侧为600 K左右;双轴肩摩擦焊材料流动速度大于常规焊,前进侧速度大于后退侧速度,前进侧轴肩作用区域大于后退侧;前进侧轴肩作用区域延伸至板材中间,造成带状不连续缺陷。结论 CFD软件Fluent可以较为准确地分析双轴肩搅拌摩擦焊的温度场和流场,可为搅拌工具的优化提供依据。     

高转速FSW工艺特征及焊缝组织性能演变规律研究

目的研究不同转速的焊缝性能变化对组织的影响,以期为高转速搅拌摩擦焊工艺参数的优化和更大范围的应用提供指导。方法在3000~8000 r/min的高转速范围内对3A21-O态铝合金进行搅拌摩擦焊试验,焊后分析了焊缝成形特征和晶粒形态并测试了接头截面显微硬度。结果当转速由1000~4000 r/min区间升高至5000~8000 r/min区间时,焊核宽度急剧增大了近50%。这是由于焊具产热机制以滑移摩擦为主向以粘着摩擦为主转变,导致上述焊核宽度增大的行为。随着转速的增大,焊缝温度呈现出常规搅拌摩擦焊工艺中鲜见的先增大而后趋于稳定的变化趋势;温度随转速的这一演变特征导致焊缝焊核区的亚结构数量比例以及显微硬度都随转速呈现出与此相近的演变规律。结论在高转速搅拌摩擦焊中,转速提高能提高焊缝性能,且增强的焊缝性能能够在较宽的高转速区间内保持相对稳定的状态。     

搅拌摩擦焊接过程控制研究综述

从搅拌摩擦焊接过程参数测控角度出发,综述了焊接区域温度、轴向力等主要过程参数的检测方法、各参数的影响因素分析;重点回顾了搅拌摩擦焊接过程参数的控制研究,主要内容为焊接区域温度的控制、轴向力控制、扭矩控制、压入深度控制、焊缝自动跟踪,当前主要采用PID控制器;由于过程模型的建立较为困难,自适应控制是较为理想的方法,控制律和稳定设计是关键环节。进一步加强焊接机理研究,建立更为完善的过程控制模型,才能进一步实现搅拌摩擦焊接过程的高度自动化、智能化。     

搅拌摩擦焊接及其加工研究现状与展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接工艺,在近些年取得了巨大的研究进展.从搅拌摩擦焊的工作原理和特点出发,对搅拌摩擦焊工艺参数、焊缝组织及性能进行了评述;最后简要介绍了搅拌摩擦加工的最新发展及在各工业领域中的应用概况.     

搅拌摩擦钎焊及其在异种金属搭接焊与复合板制备中的应用

目的克服搅拌摩擦搭接焊(FSLW)焊道狭窄、界面钩型缺陷、匙孔及工具磨损的问题。方法开发了采用无针工具并预置钎料的搅拌摩擦钎焊(FSB)新工艺。综述了FSB要点、优点及主要应用场合。结果FSB利用母材向钎料中的快速溶解替代塑性变形,降低了通过塑性流动实现上下界面混合的苛求。FSB综合了FSW方法的机械去膜、钎焊方法的焊接面积宽大的优点,尤其是可利用双重机制——钎料的冶金作用(共晶反应)及旋转轴肩的力学作用实现界面去膜,并大幅拓宽单道焊合宽度至轴肩直径,故可在大气环境下利用摩擦实现宽幅高效焊接。结论 FSB可用于在大气环境下,实现Al/X与Cu/X异种金属大面积搭接焊、选区复合(比爆炸复合的优点)、复合板与复合管制备等。     

CLAM 钢搅拌摩擦焊温度场有限元分析

通过Ansys Apdil参数化语言建立三维温度场模型,采用移动热源分步加载的方法,对CLAM钢在搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行模拟分析,结果表明,CLAM钢可以进行固态连接;搅拌摩擦过程中热能主要来自轴肩摩擦生热;焊接头四周的高温区域一直呈现出椭圆形,温度呈阶梯状分布。在板厚方向上,从上表面到下表面温度依次降低,呈等腰梯形分布。     

Friction stir welding of al 6061‐T6 thick plates: Part I ‐ experimental analyses of thermal and mechanical phenomena

Abstract

In friction stir welding (FSW), heat is generated by two mechanisms: (1) the friction between the rotating tool and the workpiece at the interface, and (2) the plastic shear deformation of the material in the vicinity of the pin tool. The amount of heat generated is crucial to the quality of the weld. In addition, the mechanical force and torque developed in the process dictates the life of the tool as well as the design of the fixture. In this paper, a butt joint was made by FSW on two thick plates (thickness = 37.6 mm) of aluminum alloy 6061‐T6. The joining was conducted by load control mode (applying a controlled vertical plunging force). Two different tests were performed, one using a long probe pin (24.3 mm in length) and the other using a very short pin (3.5 mm in length). The objectives of the research were to study the heat generation process from the shoulder, the pin, and the mechanical process parameters.

In this Part I, we report on the welding process parameters, i.e. tool RPM, welding speed, tool plunge‐in depth, force, torque, and power history, and the transient temperature history measured from thermocouples. It was found that (a) a quasi‐steady state existed after the tool moved about 82.2 mm from the starting point, during which the tool forces, torque and generated heat reached an equilibrium state in the neighborhood of the tool, (b) the highest temperature measured in the weld seam was less than the melting temperature of the workpiece material, (c) the tool pin plays an important role in the heat input to the process, and (d) the heat generated from the pin strongly depends on its length. The comprehensive test data could be used by researchers interested in numerical modeling of the FSW process without duplicating the complicated tests.     

搅拌摩擦焊残余应力研究现状及展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术,目前国内外的研究主要集中在工艺、组织、力学性能等方面,而有关搅拌摩擦焊缝内部残余应力的研究相对较少。由于检测设备的限制,国内主要采用有损检测方法,无损检测方法却很少。详细综述了国内有关搅拌摩擦焊件内部残余应力测试的钻孔法、云纹干涉法,以及国内外无损检测方法中的X射线衍射法、中子衍射法和高能同步辐射法的研究概况,讨论了各种检测方法的优缺点,对未来搅拌摩擦焊残余应力的研究作了展望。     

Friction Stir Welding of Ceramic Particle Reinforced Aluminium Based Metal Matrix Composites

The mechanical and microstructural properties of 6061+20% Al₂O_3p and 7005+10% Al₂O_3p aluminium based metal matrix composites joined by friction stir welding were analyzed in the present study. The two materials were welded into the form of sheets of 7 mm thickness after T6 treatment and were tested in tension at room temperature. The microstructure of the joints was observed by optical microscopy and the fracture surfaces were analyzed by employing a scanning electron microscope equipped with field emission gun in order to study the micromechanisms involved during the deformation.