基于微观结构-力学行为一体化计算的搅拌摩擦焊接数值模拟

采用Monte Carlo模型对6005A-T6铝合金在不同焊接速度下接头位置焊核区晶粒生长进行模拟。在此基础上,建立了不同焊接速度下的晶体塑性力学模型,对不同焊速下焊核区的力学行为进行预测,并将屈服强度预测值与文献试验值进行对比,验证了本方法的有效性。通过Monte Carlo和晶体塑性力学模型,建立了搅拌摩擦焊接微观结构-力学行为的一体化数值模拟计算方法,计算结果表明屈服强度最高时内部晶粒的变形更加均匀,应力分布的均匀性最好。并分析了多晶体内部滑移系的开动情况对Mises应力、剪切应力和剪切应变产生的影响,以及不同焊速下焊核区的累积剪应变对裂纹萌生位置的影响。     

搅拌摩擦焊接过程的有限元模拟

对摩擦搅拌焊接工艺进行数值仿真，建立了搅拌摩擦焊接的二维数值计算模型，通过数值手段进行焊接参数研究。并研究了焊接工艺过程中焊件材料的流动情况以及在焊接过程中材料的应力和应变情况，且与已有结果进行比较。证实了所建立模型的正确性与可靠性。     

搅拌摩擦焊接中的接触界面材料行为分析

通过有限元模型,模拟不同工况下的搅拌摩擦焊接过程发现,焊接构件的中下部搅拌针,与焊接构件接触面上材料流动的速度以及厚度方向上的位置无关,但是靠近上表面的材料流动速度明显增加,而且靠近上表面的材料流动速度与厚度方向上的坐标均呈近似的线性关系。搅拌头轴肩下方的区域是材料流动的主要区域,在轴肩外边缘区域,材料流动速度迅速降低。焊接温度和材料流动速度随搅拌头转速的增加而增加,滑动系数随搅拌头转速的增加而增加。预热时间的变化,对无缺陷搅拌摩擦焊接过程的影响较小。     

搅拌摩擦焊接偏心挤压流动模型

提出了一种偏心挤压流动模型,该模型认为搅拌头对软化材料的偏心挤压作用是形成接头的主要因素.基于该模型,设计并进行了偏心搅拌摩擦焊接试验.结果表明,搅拌摩擦焊接过程中,接头是由搅拌头偏心挤压材料形成的;搅拌头的偏心量越大,形成的接头核心区也将越大;在搅拌针附近的金属流动将使焊接接头形成在行进方向的层状结构;在接头表面将形成弧形纹,形成的弧形纹不是沿板材对接面对称的,而是偏向后退侧的,弧纹在后退侧形成的弧纹夹角比前进侧形成的弧纹夹角大;行进方向的层状结构和接头表面的弧形纹有对应关系.     

搅拌摩擦焊接接头的静载力学行为和疲劳特性

对LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头的静载力学行为和疲劳特性进行了研究，建立了焊接接头的孓Ⅳ曲线。力学实验结果表明：LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头的最高抗拉强度为252．8MPa，是母材抗拉强度的95．4％。疲劳实验结果表明：搅拌摩擦焊接接头表现出良好的疲劳性能，疲劳寿命N=10^5次的疲劳强度为59～65MPa。显微组织分析表明：搅拌摩擦焊接接头具有细小的等轴晶粒和狭窄的热影响区，阻碍了滑移带的形成和裂纹的扩展，从而提高了接头的疲劳性能。疲劳断口分析显示：随着驻留滑移带的扩展逐渐萌生裂纹，在交变应力作用下最终导致失效。     

接触模型对搅拌摩擦焊接数值模拟的影响

在完全热力耦合搅拌摩擦焊接数值模型中采用两种接触模型--经典的Coulomb接触模型和修正的Coulomb接触模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程,以分析不同接触模型对搅拌摩擦焊接过程数值模拟的影响.结果表明,对于低转速的搅拌摩擦焊接,两种模型的预测结果区别不大;但是对于高转速,由于界面摩擦剪切应力没有上限,采用经典的Coulomb接触模型无法模拟,需采用修正的Coulomb接触模型.搅拌头转速的增加不会改变搅拌摩擦焊接技术固态连接的本质.当采用高转速时,焊接构件上、下表面的变形趋于均匀.有利于得到均匀的显微结构.     

镁合金搅拌摩擦焊接技术

对5mm厚镁合金AZ31B板材的摩擦焊接技术进行了试验研究，结果表明：适合其板材的搅拌摩擦焊接的搅拌头，材料为W6MoSCr4V2高速钢，结构为凹面圆台形，根部直径5．5mm，端部直径为2．5mm，轴肩尺寸为12mm，长度为4．7mm。镁合金搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达母材的90％，延伸率可达母材的50％。搅拌摩擦焊接头焊合区为动态再结晶组织，在接头前进边焊合区与母材有明显的分界线，返回边过渡区有金属微熔的迹象。     

搅拌摩擦焊接三维流动模型

建立了搅拌摩擦焊焊接过程中塑性软化层的流动行为物理模型,该模型根据不同部位的流动特点将软化层的流动分成三部分,轴肩端面附近的软化层流动、搅拌针上部的软化层流动和搅拌针端部附近的软化层流动行为。轴肩端面附近的软化材料首先流入搅拌针行进过程中于搅拌针后部形成的空腔内,剩余软化材料围绕着轴肩侧面缓缓地由前进侧流动到搅拌针的后部,并于轴肩后部侧表面上形成了焊缝表面弧形纹的弧峰;搅拌针上部附近的软化层以剪切的方式从搅拌针前部流动到搅拌针后部;搅拌针端部附近的软化层以挤压的方式从搅拌针的前部流动到搅拌针的后部。     

LY12搅拌摩擦焊接技术

搅拌摩擦焊接是一种新兴的焊接工艺,本文作者在立式铣床上配置辅助夹具,对LY12铝合金做了大量的搅拌摩擦焊接（Friction Stir Welding)工艺试验,在焊接过程中捕捉到一些与接头形成相关的理化信息,进而探讨了FSW接头的形成机理,初步优化了LY12铝合金FSW工艺参数,分析研究了搅拌头形状、旋转速度、焊接速度对FSW接头质量的影响。试验结果表明,焊接厚度为4mm的LY12铝合金,夹持器与特形指棒直径之比3：1为好,特形指棒直径与焊件厚度之比1：1为好。焊接速度选择37．5mm/min。搅抖头旋转速度选择2000r/min时,接头质量良好。本文试验结果为进一步研究开发搅抖摩擦焊接技术奠定了一定的理论与试验基础。     

搅拌摩擦焊接技术最新进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,简称FSW)是由英国焊接研究所TWI于1991年开发的专利技术,并且在随后取得了巨大的进展。综述了近10年来国内外搅拌摩擦焊技术的发展概况和最新进展,阐述了搅拌摩擦焊技术的原理、工艺特点及其广泛的工业应用前景,指出搅拌摩擦焊技术研究的必要性和紧追性。     

搅拌摩擦焊温度场最新研究进展

早期的搅拌摩擦焊温度场模型只考虑了摩擦产热,而忽略了塑性变形产热。在刚结束的第五届搅拌摩擦焊国际会议上,有许多学者就塑性变形产热对其温度场的影响进行了研究,本文对此作了概括地介绍分析。     

搅拌摩擦焊温度场最新研究进展

早期的搅拌摩擦焊温度场模型只考虑了摩擦产热，而忽略了塑性变形产热。在刚结束的第五届搅拌摩擦焊国际会议上，有许多学者就塑性变形产热对其温度场的影响进行了研究，本文对此作了概括地介绍分析。     

LY12搅拌摩擦焊接过程中搅拌针摩擦行为的研究

搅拌摩擦焊是一种依靠搅拌头与被焊金属之间的摩擦来实现焊接的焊接方法,二者之间的摩擦系数直接影响到最终的焊接效果。本试验对LY12铝合金摩擦系数随温度等因素的变化情况进行了研究,试验结果表明:由于温度对铝合金的表面状态的影响非常大,所以铝合金的摩擦系数在高温下的变化也很大。通过试验数据建立了LY12铝合金与高速钢的摩擦系数与温度之间的关系曲线,发现二者之间的摩擦系数随温度的增加先增大,达到金属的熔点下限后开始减小。并且对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中的摩擦行为进行了分析。     

LY12搅拌摩擦焊接过程中搅拌针摩擦行为的研究

搅拌摩擦焊是一种依靠搅拌头与被焊金属之间的摩擦来实现焊接的焊接方法，二者之间的摩擦系数直接影响到最终的焊接效果。本试验对LY12铝合金摩擦系数随温度等因素的变化情况进行了研究，试验结果表明：由于温度对铝合金的表面状态的影响非常大，所以铝合金的摩擦系数在高温下的变化也很大。通过试验数据建立了LY12铝合金与高速钢的摩擦系数与温度之间的关系曲线，发现二者之间的摩擦系数随温度的增加先增大．达到金属的熔点下限后开始减小。并且对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中的摩擦行为进行了分析。     

钛合金搅拌摩擦焊接三维流场数值模拟

基于粘性流体力学理论，采用计算流体力学软件FLUENT。建立了4mm厚钛合金板搅拌摩擦焊接过程焊缝金属塑性流动的三维有限元模型。对所建模型作水平和垂直切片，得到了模型不同位置上材料的流动状况。并对其进行了分析。结果表示：焊缝金属前进侧向前流动的趋势强于后退侧向后流动的趋势，且整体流动成规则的层流，但在焊件表层金属流动区的边缘部分，材料流动有明显的紊流现象。模拟流场结果同实验结果基本吻合。     

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.     

搅拌摩擦焊与氩弧焊接接头摩擦磨损性能研究

分别试验了LF2铝合金搅拌摩擦焊焊接接头与氩弧焊接接头的摩擦磨损行为，试验分为3个阶段进行，转数分别为480，1200，2400转。结果表明在相同的实验条件下，搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能明显优于氩弧焊接接头，其中第一阶段磨损失质量差别不大，后两个阶段搅拌氩弧焊接接头的磨损失质量是搅拌摩擦焊接头的4~6倍。氩弧焊接接头磨损表面呈现明显的塑性变形和表层剥落开裂迹象。搅拌摩擦焊接头磨损表面呈现轻微的疲劳磨损特征。     

搅拌摩擦焊的研究现状及前景展望

对搅拌摩擦焊的研究现状作了介绍,总结了其问世以来20年的研究成果,涉及焊接材料、材料的塑性流动机理、焊接工艺参数、数值模拟、焊接设备及搅拌摩擦焊的新技术几方面,并对未来的研究方向作了探讨。