搅拌头受力模型及应用

针对搅拌摩擦焊实际过程,建立了搅拌针扎入阶段和稳定焊接阶段搅拌头的受力模型,通过与实测数据对比分析对模型进行了验证.由受力模型可知无论扎入阶段或稳定焊接阶段搅拌头的薄弱部位均为搅拌针根部,若设计不当易从搅拌针根部破坏.在此基础上,针对Ti-6Al-4V的搅拌摩擦焊,将模型用于指导搅拌头设计.结果表明,合理的搅拌头设计是实现钛合金搅拌摩擦焊的关键,在合适的焊接工艺参数下可以获得成形良好的焊缝.     

搅拌摩擦焊焊接铜合金时在下压阶段搅拌头的失效行为研究

使用正交试验方法对T10,4Cr15MoSiV,9CrWMn,GH4169 4种材料搅拌头在5mm厚H62铜合金搅拌摩擦焊下压阶段的失效行为进行研究,结果表明,下压阶段中搅拌头质量变化细微,不同材料搅拌头焊后在搅拌针长度方向上发生了不同程度的"镦粗"变形,继而产生应力集中,直到碎断.由T10制作的搅拌头在经过两次下压试验即发生断裂,9CrWMn制作的搅拌头每次下压后都出现明显变形,都不适合作铜合金FSW搅拌头材料.4Cr5MoSiV、GH4169基本可以满足焊接要求.搅拌头受力分析说明,工艺参数对搅拌头失效影响很大,当旋转速度越大,下压速度越小,即搅拌头受下压力越小时,搅拌针"镦粗"现象越不明显.     

防锈铝搅拌摩擦焊接

通过大量试验研究了防锈铝LF21搅拌摩擦焊接技术,深入分析了防锈铝搅拌摩擦焊接头的金相组织和力学性能,并探讨了焊接参数对组织性能的影响.对于3mm厚的防锈铝板,优化的搅拌头材料为ICr18Ni9Ti,形状为圆锥带凹面形,轴肩尺寸为φ12mm,焊针跟部直径为4mm,焊针端部直径为2.8mm,焊针高度为2.7mm.优化的焊接工艺参数范围为旋转速度950-1 500 r/min,焊接速度37.5～60mm/min.研究的成果可应用于有色金属材料搅拌摩擦焊接参数的优化,推动中国搅拌摩擦焊接技术在铝焊接中的应用.     

基于网格重剖分的搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析

采用自适应网格方法,建立搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合热刚粘塑性有限元模型,模拟搅拌摩擦焊接过程中工件的温度场、变形场和搅拌头的受力。计算结果表明,温度场关于搅拌头的分布为非对称,焊接在前行侧的有效应变高于其返回侧;沿焊缝区域的温度场、应变场分布是由工件的上表面至底面,呈自上而下的顺序递减。对搅拌头反力曲线的研究表明,在相同的转速下,焊接速度越快,其反力越大;在相同的焊接速度下,转速越大,其反力越小;搅拌头的受力峰值产生在预热阶段结束和搅拌头开始移动的时刻,在给定搅拌头倾角的情况下,搅拌头的最高温度产生在搅拌头的后侧。     

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。     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触而滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温...     

7022铝合金搅拌摩擦焊变形有限元分析

为了探究搅拌摩擦焊焊接变形规律,利用ANSYS有限元软件,建立了7022铝合金搅拌摩擦焊的数值模型,通过该仿真模型获得了搅拌头转速和进给速度对变形的影响.结果表明,高的搅拌头转速和低的进给速度会产生较大变形,并且搅拌头转速时变形的影响更显著.最后,通过搅拌摩擦焊试验和变形检测试验结果均表明焊件边角呈向上翘曲状态,焊板的...     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响

采用四种不同形状搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦焊试验,研究了搅拌针形状对LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响.结果表明:通过改变搅拌针形状可以改变焊缝塑化金属的流动行为及结合面材料的破碎程度,从而影响S曲线的形成.当焊接参数一定时,在光面搅拌针中,圆锥光面搅拌针较圆柱光面搅拌针更易形成S曲线;表面带螺纹搅拌针中,圆柱右旋螺纹搅拌针较圆柱左旋螺纹搅拌针更易形成S曲线.搅拌针形状不变,降低焊接速度,可以改善焊缝塑化金属流动性,使结合面材料的分布不连续,S曲线逐渐消失.     

压力闭环控制系统在搅拌摩擦焊接设备中的设计

从搅拌摩擦焊原理可以看出轴向压力是直接影响焊缝成形质量的主要因素之一。目前搅拌摩擦焊在焊接中轴向压力采用人工干预的方法使得整个过程处于开环位移控制的状态,对整个过程缺乏有效的在线压力监控。一旦焊接质量出现问题,就需要重新进行焊接或进行返修焊,不仅耗费大量的人力、物力、财力,更重要的是这一过程严重影响了整个焊接生产的进程,大大降低了生产效率。采用一种基于电机的扭矩与位移的转换公式来实现搅拌头轴向力的闭环控制,并通过西门子840D数控系统中的同步指令控制得以实现。该方法简单、实用,对搅拌摩擦焊焊接质量的提高具有良好的借鉴。     

AA5083铝合金的搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热输入的影响(英文)

采用系统实验设计方法研究AA5083铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热量输入的影响,得到了用来设计搅拌摩擦焊搅拌头和焊机的经验模型。当采用计算机来控制搅拌摩擦焊接时,这些模型可用来确定AA5083这类铝合金的摩擦焊接工艺参数、编制焊接程序及工艺参数控制。结果表明:影响轴向力和热量输入的重要参数是搅拌头转速、焊接速度和搅拌头轴肩直径,而影响纵向应力的重要参数是焊接速度和探头直径。     

搅拌摩擦焊具及工艺参数

用于搅拌摩擦焊接的特制焊接工具称为搅拌摩擦焊具，简称焊具(Welding Tool)，又称搅拌头。搅拌摩擦焊具由针部(Pin)和肩部(Shoulder)组成，二者又称搅拌针和轴肩。焊具几何尺寸就是指针部和肩部的形状和尺寸。     

搅拌摩擦焊应力变形有限元模拟的研究进展

搅拌摩擦焊因其独有的特点而被广泛应用于铝合金的焊接,虽然焊后残余应力和变形比普通熔化焊小,但它同样是一个不均匀的热过程,焊后残余应力和变形不可避免,而且部分试验已经显示出其残余应力和变形对结构尺寸精度和使用性能有显著影响,闪此针对搅拌摩擦焊残余应力和变形的研究有重要的现实意义.除了实际的焊接和测量试验外,数值模拟技术是目前研究搅拌摩擦焊残余应力和变形的重要手段,也取得了很多可喜的研究结果.文中从焊接热载荷、搅拌头力作用、母材性能参数和卡具作用等方面较为详尽地总结了搅拌摩擦焊残余应力和变形数值模拟的研究进展和未来发展方向.     

LF21超声搅拌摩擦焊接头组织及性能分析

利用超声波对金属塑性成形作用对LF21铝合金进行了超声搅拌摩擦焊接试验,并对常规搅拌摩擦焊与超声搅拌摩擦焊接头的微观组织、断口形貌进行了对比分析.结果表明,超声能量通过搅拌头有效地导入焊缝底部,在增加焊缝底部搅拌强度的同时,提高了搅拌针周围金属原子的运动和扩散能力,焊核区的金属组织有明显的晶粒细化和组织均匀化.超声搅拌摩擦焊断口韧窝数量与深度均不及常规搅拌摩擦焊,撕裂棱不明显;超声搅拌摩擦焊可以提高接头力学性能,但平均断后伸长率相比常规搅拌摩擦焊有所下降.     

搅拌工具尺寸和工艺参数对塑料搅拌摩擦焊焊缝质量的影响

用不同尺寸的搅拌工具对聚氯乙烯(PVC)板材进行了搅拌摩擦对接焊工艺试验.试验证明,在搅拌工具肩部直径为30 mm,搅拌头直径为10 mm,搅拌头旋转速度为1 660 r/min,焊接速度为25 mm/min的情况下,可以得到焊缝饱满、成形美观的焊接接头.提高搅拌头的旋转速度可以成比例地提高焊接温度;焊接速度的影响较复杂,增大焊接速度一方面会降低焊接热输入,一方面又会间接地增大搅拌头的进给阻力,从而增大摩擦发热功率,提高焊接温度;搅拌工具肩部直径直接影响肩部与被焊材料表面的摩擦发热功率,增大肩部直径可以提高焊接温度,还有利于阻止焊缝材料的飞溅和外溢;而搅拌头直径的影响较复杂,增大它既可以提高搅拌头侧面与被焊材料之间的相对运动线速度,从而提高焊接温度,又会增加被焊材料的吸热功率和传热面积,从而降低焊接温度.     

钛和钢等高强度合金搅拌摩擦焊搅拌头用材的研究进展

搅拌摩擦焊技术克服了传统焊接技术的弱点,在铝镁等软质材料的焊接上应用十分广泛。但是受到搅拌头用材的制约,搅拌摩擦焊在钛、钢等焊接难度较大的高强度合金上的应用仍很局限。因此选择一种合适的材料,开发既廉价又安全可靠的搅拌头成为各国研究者研究的重点。文中将对国内外不同工况下高强度合金搅拌摩擦焊时搅拌头用材进行阐述,说明了不同材质的搅拌头焊接钛、钢的焊接效果、搅拌头焊接时的磨损和失效情况,并对比分析了各搅拌头材料的性能及优缺点,同时对高强度合金搅拌摩擦用材的发展做出了展望。     

搅拌摩擦焊过程搅拌针切面轮廓分析

基于搅拌摩擦焊接过程"切面分析法",建立了搅拌针切面轮廓特征点运动行为数学表达式,并在数学分析的基础上提出了"界面畸变"、"冷搭接"、"洋葱环结构"等搅拌摩擦焊接头特征的产生机制.基于上述研究结果,提出了一种搅拌针形貌优化思路,从改善塑性金属迁移行为的角度,通过三切面设计,有效消除了大厚度铝合金搅拌摩擦焊对接接头中的"S"线,以及筋板搭接接头中的"冷搭接"缺陷,研究工作为搅拌摩擦焊产品的研制提供了技术支持.     

火箭贮箱箱底龙门铣焊装备静力学特性分析

结合目前世界上最大的10 m级大直径运载火箭贮箱箱底搅拌摩擦焊接工艺需求,设计了用于大直径球面体搅拌摩擦焊的龙门式焊接装备。由于搅拌摩擦焊是通过被焊材料与高速旋转的焊接头进行摩擦产生热量并使其产生局部塑性化,当焊具沿着焊接界面向前产生位移时,塑性化的材料在焊接头处转动摩擦力的作用下由焊具的前部向后部流动,并在焊接头挤压下形成致密的固相焊缝。与熔焊不同的是,搅拌摩擦焊过程中需要焊接装备提供较大而且非常稳定的顶锻力和搅拌力,因此,龙门铣焊装备整体结构的力学特性分析非常重要。首先结合厚度为28 mm的铝合金材料2219在搅拌摩擦焊过程所需的作用力以及火箭贮箱箱底球面结构,建立焊接头的焊接过程力学方程,进而分析焊接过程中龙门铣焊装备的静力学特性。结果表明：所设计的龙门铣焊装备在焊接头扎入阶段、稳定焊接阶段的最大应力以及U形头最大变形量均与搅拌头和箱底夹角存在线性关系,而且从强度角度来说,目前设计的龙门式装备具有裕度过大的不足,可以改进。     

搅拌摩擦焊概述（二）

搅拌摩擦焊是一种纯机械化的固相连接方法。如下图所示，搅拌摩擦焊过程中，一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头旋转着缓慢插入被焊工件的待焊接处，被焊工件需要有背部衬垫和被牢固固定，以防止焊接过程搅拌头力的作用从而使工件分离，搅拌头和被焊材料之间的摩擦剪切阻力产生了摩擦热，摩擦热使搅拌头邻近区域的材料受热变软从而得到了热塑化，当搅拌头受到驱动沿着待焊界面向前移动时，热塑化的材料由搅拌头的前部向后部转移，并且在搅拌头轴肩的锻造作用下，实现工件之间的固相连接。     

搅拌摩擦焊过程中搅拌头温度场分布特征

试验测定了搅拌头温度分布曲线,分析了搅拌头温度场的分布特征,对比研究了不同材质搅拌头温度分布的特点.结果表明,摩擦焊初始阶段,搅拌区域金属的软化致使摩擦针与试板之间的摩擦产热量降低,在搅拌头轴肩与试板接触之前,搅拌头温度出现滞涨,并出现一定程度的回落;稳定焊接阶段,摩擦热传递至搅拌头的热量与通过其散失的热量处于动平衡状态,其温度波动较小;高速旋转搅拌头的表面与周围空气进行强烈的热交换,搅拌头轴线上的温度高于外缘的温度;采用比热容小、热导率高材质制作的搅拌头,焊接过程中其温度变化快,整体温度高.     

铝合金双面搅拌摩擦焊初步研究

提出了双面搅拌摩擦焊这种新的焊接方法，对比研究了6K32-T4铝合金搅拌摩擦焊与双面搅拌摩擦焊接头的组织和硬度，并对双面搅拌摩擦焊焊缝进行了XRD分析。研究发现：铝合金双面搅拌摩擦焊与搅拌摩擦焊焊缝组织分区相同；双面搅拌摩擦焊焊缝的硬度略低于搅拌摩擦焊，且焊缝硬度下降区域范围更大；双面搅拌摩擦焊后焊缝依然保持为原有相组成；双面搅拌摩擦焊比搅拌摩擦焊焊接线能量更大，采用双面搅拌摩擦焊代替搅拌摩擦焊有利于提高焊接效率并消除焊缝隧道型缺陷、改善焊缝的性能。