2219铝合金搅拌摩擦焊温度场的三维实体耦合数值模拟

为更贴近实际的模拟搅拌摩擦焊焊接过程中复杂的热力行为,试验通过建立三维搅拌摩擦焊过程数学模型,采用三维实体耦合的有限元方法来分析2219铝合金搅拌摩擦焊热过程和温度场分布.结果表明,搅拌摩擦焊焊缝的温度场梯度呈现上密下疏,前密后疏的分布状态,最高温度位于后退侧的搅拌针与轴肩的过渡区,焊缝后退边的温度高于前进边,搅拌针底部温度超过2219铝合金的再结晶温度,可确保对接接头根部形成紧密焊缝,模拟结果为研究搅拌摩擦焊的机理和优化搅拌摩擦焊焊接工艺提供了支持.     

T形接头角接静轴肩搅拌摩擦焊三维流动特征

在T形接头横截面方向预置0.1 mm铜箔作为示踪材料，进行了角接静轴肩搅拌摩擦焊，焊后对T形接头角焊缝进行X-ray 2D透射和X-ray 3D扫描，得到了角焊缝示踪材料的2D流场和3D流场. 在前进侧热塑性材料主要以摩擦剪切为主，材料流动主要向焊接方向流动，并流向前进侧后方，后退侧材料主要以挤压为主，由于T接搅拌针螺纹的存在，使得材料整体向后退侧下方流动. 同时发现，在T接静轴肩后沿附近下方存在示踪材料"堆积区"，表明T接静轴肩对附近的材料塑性流动存在一定的阻碍作用. 根据所获得的观察结果，建立了T形接头角焊缝的三维流动主要特征模型.     

薄板铝合金搅拌摩擦焊接头变形情况分析

采用数值模拟的方法对薄板铝合金搅拌摩擦焊接头的变形特征进行分析，并与实际接头的变形情况进行对比.结果表明，薄板铝合金搅拌摩擦焊的接头的变形成非对称形式，大变形区域主要出现在焊缝的前进侧，这种非对称变形主要是由于搅拌头对工件直接施加的机械力造成的.焊缝两侧固定点上的变形特征显示，后退侧在焊接过程中会出现剧烈波动，表明后退侧的稳定性低于前进侧.接头应力分布特征显示高应力区出现在焊缝的结束位置，x-y方向的剪切应力是影响终接头应力分布的主要原因.     

厚板双轴肩搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟

针对30 mm厚5A06铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的焊接过程,建立温度场及流场的数值模型,计算两种搅拌工具作用下的温度场及流场分布情况。模拟结果发现,双轴肩搅拌摩擦焊接过程中,双轴肩搅拌摩擦焊温度场靠近轴肩区域的温度高,沿板厚中心方向温度逐渐降低,呈哑铃状分布,后退侧温度高于前进侧温度;采用锥形搅拌针焊接时的焊缝温度高于圆柱形搅拌针作用的焊缝。流动场模拟结果表明,工件上、下表面轴肩作用范围内的材料流动最为剧烈,工件内部材料流动相对较弱,采用平行槽结构的搅拌针材料呈横向流动规律,而螺纹结构的搅拌针作用下材料流动较紊乱,材料流动情况与两种搅拌工具作用下的焊缝形貌吻合较好。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。     

厚铝合金板搅拌摩擦焊塑性金属不同深度的水平流动状况

通过在10mm厚LF2铝合金板的不同位置嵌入示踪Fe粉,进行搅拌摩擦焊对接实验,焊后截取不同深度的水平面试样,采用扫描电镜对试样进行能谱分析,通过观察Fe粉在焊缝金属中的水平分布,确定了10 mm厚LF2搅拌摩擦焊焊缝金属的二维水平流动状况.结果表明,塑性金属流动关于焊缝中心并不对称.焊缝下部金属受搅拌针作用,前进侧大部分金属与焊接方向相反向后流动,小部分金属向前流动,但都未进入返回侧;返回侧金属都向后流动,且有部分金属进入前进侧.焊缝上部金属主要受轴肩作用,前进侧大部分金属向前流动但未进入返回侧,小部分金属向后流动;返回侧金属沿旋转方向流入前进侧.     

多孔模焊合室结构对型材挤压成形过程的影响

以矩形型材为例,采用有限元软件HyperXtrude对不同焊合室结构的多孔挤压模在稳定挤压过程中的速度场、温度场和应力场进行了数值模拟分析。结果表明,增加焊合室级数可以有效地改善金属流动均匀性、提高型材焊缝质量、降低下模应力和变形量。为了进一步研究焊合室高度对金属流动均匀性的影响,当下模带有三级焊合结构时,通过分别改变各级焊合深度发现:各级深度相同时金属流动最为均匀,前进型模具次之,后退型模具最差。     

5A06反旋双道搅拌摩擦焊焊缝组织性能分析

对5A06铝合金薄板进行了反旋双道搅拌摩擦焊(DPASF)工艺可行性研究,该工艺方法能够改善焊缝前进侧和后退侧关于焊缝中心线的组织性能不对称性,通过叠加反向二道焊可增加焊核区水平宽度,并进一步细化焊缝晶粒,提高焊缝的显微硬度值.通过石墨示踪材料的可视化试验,观察到DPASF焊缝中粘塑性金属在水平方向上的流动轨迹与单道焊...     

电阻辅助加热对2519A铝合金搅拌摩擦焊接成形性的影响

采用试验与数值模拟相结合的方法探究了电阻辅助加热温度对2519A-T87铝合金搅拌摩擦焊接头成形性的影响，基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了电阻辅助加热搅拌摩擦焊的三维热-力耦合模型，分析了焊接过程温度场分布和材料流动行为，阐明了电阻辅助加热工艺消除搅拌摩擦焊隧道型缺陷的作用机理.结果表明，辅助加热工艺使焊接峰值温度从483℃提高至549℃，并增加了350℃以上高温区间的停留时间，扩大了高温分布区域，降低了材料变形抗力，增强了材料从焊核区后退侧运动至前进侧的流动性，使材料回填更充分，从而消除了焊缝内部隧道型缺陷.     

钢结构的搅拌摩擦焊接仿真分析

利用DEFORM-3D建立了钢板对接搅拌摩擦焊的有限元模型,分析了其焊接过程中搅拌区的温度、应力应变和流场.模拟结果发现:在搅拌摩擦焊接过程中,温度呈非对称的分布,工件前进侧的温度高于后侧的温度;工件的等效应力、应变沿横向呈现非对称分布.不论是前进侧还是后退侧的材料,在搅拌头经过时的开始阶段都会发生剧烈的塑性变形并且随着搅拌头一起运动,但最终都会在搅拌头前进侧的后部沉积下来.     

Material flow and void defect formation in friction stir welding of aluminium alloys

An ingenious experimental programme by combining artificially thickened oxide layer as marker material and ‘stop-action’ welding were used to study the material flow and defect formation in friction stir welding of aluminium alloys. The results showed that material flow around the pin on the advancing side (AS) was severer than that on the retreating side (RS) and the fastest velocity of material flow in the middle stir zone (SZ) was 43.9?mm?s^?1. Moreover, the material under the RS shoulder included extruded metal only and the material under the AS shoulder included extruded and rotated metal. Lastly, instantaneous void occurrence and insufficient inflow material were reasons for the preferential formation of void defects in the top SZ on the AS.     

5mm厚铝合金双面搅拌摩擦焊接

对5mm厚的1050-H24铝合金板材进行了双面搅拌摩擦焊接(FSW)，重点研究了接头的拉伸性能和断裂部位及其影响因素。研究结果表明，一次焊接参数、二次焊接参数和焊接方向对双面FSW接头的拉伸性能和断裂部位有不同程度的影响。一次焊接参数的影响较小，而二次焊接参数的影响显著并且存在最佳取值。同向焊接的接头强度较高且断在前进侧(AS)或后退侧(RS)，而异向焊接的接头强度较低且只断在AS。在文中的试验条件下，1500r／min的旋转速度、400mm／min的二次焊速和同向焊接方式是最佳的工艺组合，接头最高强度达到母材强度的78％。     

ZK60镁合金自持式搅拌摩擦焊工艺

采用直径为16 mm且表面刻有逆时针旋转的螺旋槽的轴肩,直径为6 mm的圆柱形光面搅拌针且沿长度方向加工三个对称平台的自持式搅拌摩擦焊搅拌头,成功进行了3 mm厚ZK60镁合金薄板自持式搅拌摩擦焊,研究了焊接参数对接头表面成形、缺陷的形成及力学性能的影响。研究结果表明,搅拌头旋转速度为600r/min不变,焊接速度较低时,接头上、下表面产生沟槽缺陷,增大焊接速度获得表面无缺陷的接头,过分增加焊接速度,在前进侧和后退侧分别形成线状缺陷和孔洞缺陷,接头的力学性能随焊接速度的增大线增大后减小;采用焊接速度为400 mm/min不变,采用较低的搅拌头旋转速度时,接头表面鱼鳞纹均匀、成形美观、接头表面和内部均无缺陷,旋转速度过分增大,鱼鳞纹粗糙,在前进侧和后退侧接头内部分别产生线状缺陷和孔洞缺陷,接头力学性能随搅拌头旋转速度增大而减小。接头最大的抗拉强度为270 MPa,断后伸长率为8. 92%,接头强度系数达到87%。     

3D visualization of the material flow in friction stir welding process

0IntroductionThe friction stir welding(FSW),a new solid-statewelding process invented by TWI in1991,is perhaps themost remarkable and potentially useful new welding tech-nique.In the welding process,the base metal doesn’tmelt,so great advantages can be a…     

Modeling of material flow in friction stir welding process

This paper presents a 3D numerical model to study the material flow in the friction stir welding process. Results indicate that the material in front of the pin moves upwards due to the extrusion of the pin, and then the upward material rotates with the pin. Behind the rotating tool, the material starts to move downwards and to deposit in the wake. This process is the real cause to make friction stir welding process continuing successfully. The tangent movement of the material takes the main contribution to the flow of the material in friction stir welding process. There exists a swirl on the advancing side and with the increase of the translational velocity the inverse flow of the material on the advancing side becomes faster. The shoulder can increase the velocity of material flow in both radial direction and tangent direction near the top surface. The variations of process parameters do have an effect on the velocity field near the pin, especially in the region in which the material flow is faster.     

三维搅拌摩擦焊接传热与塑性流动分析模型

为研究搅拌摩擦焊接过程热流相互作用下的温度场、速度场和粘度场,将材料看成是层流、粘性、非牛顿流体,基于流体力学理论,建立了搅拌摩擦焊接过程的三维热流分析模型.给出了焊接过程热输入与搅拌头的旋转频率、工件运动速度、搅拌头尺寸及材料发生屈服时的剪应力的数学关系式,并将其作为热边界条件加入到了模型中.结果表明,搅拌头前部温度低于后部,温度梯度前部大于后部;受搅拌头周围材料流动的影响,接近搅拌针的区域,后退侧温度高于前进侧;材料上部速度、粘度受轴肩影响较大,下部主要受搅拌针影响;计算得到的热力影响区与试验结果有较好的对应关系.     

搅拌摩擦焊接技术实现非直线焊缝过程中的材料行为分析

采用基于固体力学的有限元方法建立了搅拌摩擦焊接过程的三维数值模型,研究了搅拌摩擦焊接技术在焊接非直线焊缝时材料的流动行为以及焊接过程中的力学特征。结果显示,搅拌焊接构件后退侧材料的流动较前进侧更为剧烈,且越靠近肩台部分材料的流动速度越大,搅拌头向原焊接构件前进侧移动将导致材料流动速度增加,搅拌头平移方向变化的瞬时会明显改变搅拌头周围材料流动速度的分布规律。搅拌探针-焊接构件接触面上的接触压力分布是比较均匀的。     

Effect of welding speed on the material flow patterns in friction stir welding of AZ31 magnesium alloy

The clear zigzag-line pattern on transverse cross sections can be used to explain the formation mechanism of the weld nugget when friction stir welded AZ31 magnesium alloy without any other insert material is used as mark. It provides a simple and useful method to research the joining mechanism of friction stir welding. The rotation speed is kept at 1000 r/min and the welding speed changes from 120 mm/min to 600 mm/min. The macrostructure on the transverse cross section was divided into several parts by faying surface. The results show that the shape and formation procedure of the weld nugget change with the welding speed. There are two main material flows in the weld nugget： one is from the advancing side and the other is from the retreating side. A simple model on the weld nugget formation of FSW is presented in this article.     

铜合金与不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头组织与性能

采用搅拌摩擦搭接焊对铜合金与不锈钢异种金属进行焊接,得到外观良好、无内部缺陷的搭接接头. 利用金相、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射及硬度计等研究了铜–钢搭接焊接头显微组织,分析了接头的物相成分,测试了接头的显微硬度. 结果表明,不锈钢与铜在焊合区形成了“洋葱环”结构,此结构在焊核区的前进侧较后退侧更为均匀;在接头的前进侧、后退侧和底部有明显的热力影响区;在条状结构中形成了新的金属间化合物NiCu₄,这使焊核区不锈钢–铜界面的硬度值明显增大;接头焊核区的硬度值明显高于基体,且焊核区前进侧的硬度值较后退侧更高.