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。     

2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚2219-T87铝合金进行了焊接.对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及断口形貌进行了分析.结果表明,焊核区为细小的等轴晶粒,晶粒尺寸远小于母材;热机影响区发生了弯曲变形;热影响区组织出现了明显粗化.前进边热机影响区和焊核区形成明显分界线,后退边相对模糊.搅拌摩擦焊对接头各区域沉淀相分布形态有重要影响.接头室温拉伸强度可以达到母材的70%以上.沿焊缝横截面的显微硬度的分布显示,硬度最低点位于后退侧热影响区区域,断裂位置位于后退侧热影响区处,接头的断裂形式为韧性断裂.     

35mm厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织和性能

采用搅拌摩擦焊双面焊工艺,对35 mm厚板6005A-T6铝合金型材进行了搅拌摩擦焊接,获得成形良好、表面光滑、无隧道孔和沟槽缺陷的焊接接头.应用光学显微镜、扫描电镜、显微硬度仪及电子拉伸试验机等对搅拌摩擦焊接头组织与性能进行研究.结果表明,接头焊核区组织为细小等轴晶;前进侧出现明显的螺旋纹及清晰的结合线,热力影响区晶粒被明显拉长呈条状组织,热影响区受热晶粒粗大;后退侧未见螺旋纹,晶粒比前进侧细小,过渡区较前进侧宽.在搅拌头旋转频率为650 r/min,焊接速度为200 mm/min工艺条件下接头抗拉强度为213 MPa,达到母材强度的84.8%,断裂起始于焊缝前进侧的热影响区,扩展至双面焊接重合区时,沿着焊缝后退侧热影响区直至断裂;接头显微硬度最低值出现在前进侧热影响区,最低值为50 HV.     

高速列车铝合金车体枕梁搅拌摩擦焊接头残余应力分布特征

采用超声波法对铝合金枕梁部件搅拌摩擦焊(FSW)接头和熔化极气保护焊(MIG)接头分别进行了残余应力测量。结果表明,FSW固相焊接头的纵向应力和横向应力均为拉伸残余应力,其中纵向应力水平远高于横向应力。纵向应力在FSW焊缝两侧呈不对称分布特征,在搅拌头的前进侧应力值较高,而在返回侧应力值较低,最高应力位于前进侧的轴肩作用边缘处。MIG熔化焊接头在焊缝及近缝区的纵向应力和横向应力也为拉伸残余应力,且在MIG焊缝两侧呈对称分布特征,其中纵向应力高于横向应力,最高应力位于焊缝及热影响区。     

6005A FSW接头金属运动行为研究

采用搅拌摩擦焊对6005A进行焊接,并对垂直、平行焊接方向接头不同区域的组织进行研究。结果表明:搅拌摩擦焊接头前进侧金属运动迹象大于后退侧,前进侧"匙孔"边缘底部基本保留了搅拌针形貌;在垂直焊缝方向,前进侧晶粒呈明暗带状分布的"洋葱环"结构,距离焊缝中心越远越明显,后退侧组织致密且过渡平缓;在平行焊缝方向,前进侧边缘塑性金属运动痕迹强烈,为连续锯齿状形貌,该形貌向焊缝中心逐渐减弱并消失于后退侧。     

基于复合搅拌摩擦焊的6063铝合金焊接接头残余应力控制研究

分别采用普通搅拌摩擦焊和带随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置的复合式搅拌摩擦焊对6063铝合金薄板进行焊接试验,并对两组试验的纵向残余应力数据进行对比分析。试验结果表明:普通搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力是拉应力,其值为83.6 MPa,位于前进侧的搅拌头轴肩边缘处。前进侧与返回侧两侧的纵向残余应力基本对称,从焊缝中心到边缘,纵向残余应力由小变大后再变小,最后转变为压应力;复合搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力比普通搅拌摩擦焊减小了38.9 MPa,其分布与普通搅拌摩擦焊时基本相同,但其变化范围窄。这说明随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置能有效减小纵向残余应力,从而能减小焊后变形,提高搅拌摩擦焊接接头质量。     

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.     

铝合金搭接搅拌摩擦焊接头拉伸变形的数值模拟

通过对2A12铝合金搭接搅拌摩擦焊接头的强度试验,研究了搭接搅拌摩擦焊接头的断裂行为,应用有限元方法对2A12铝合金板材搭接搅拌摩擦焊接头的拉伸力学响应进行了模拟计算,获得了搭接搅拌摩擦焊接头在外载作用下的局部应力应变分布与变形规律.结果表明,在搭接接头的搭接面上存在两个类裂纹的未焊接区域,塑性变形首先在搭接界面裂纹尖端区域发生,上板受拉侧裂纹尖端周围区域的塑性变形最大,是导致搭接搅拌摩擦焊接头上板的前进侧热影响区断裂的主要原因.     

铝/镁搅拌摩擦焊异质接头热-力场仿真研究

铝合金和镁合金在多材料结构中的混合应用可有效实现轻量化效果,以搅拌摩擦焊为代表的新型固相焊接技术在铝/镁异种合金连接中的应用是焊接领域的研究热点。文中基于扭矩热源模型,利用Abaqus软件分析了搅拌头转速对6061铝合金/AZ31镁合金搅拌摩擦焊搭接接头热-力场的影响。结果表明:受搅拌头产热和热传导散热的共同作用,接头表面和横截面温度场分别呈椭圆状和碗状,焊缝前进侧温度高于后退侧。接头残余应力主要由纵向应力和横向应力构成,轴肩边缘同时受热应力和机械应力的作用而具有应力峰值。此外,接头峰值温度和残余应力值均随搅拌头转速的提高表现出不同程度的增大。相关研究结果可为铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺参数的设计与优化提供理论指导。     

薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制

搅拌摩擦焊(FSW)焊接残余应力变形表现出与传统熔焊不同的规律,文中研究了薄壁铝合金搅拌摩擦焊残余应力分布规律和焊接变形控制方法,结果表明,纵向残余应力峰值并非出现于焊缝中心,热影响区和热机影响区是残余应力相对较大的区域.基于动态低应力无变形焊接方法,设计开发了一套热沉系统,进行了动态低应力无变形FSW试验.研究表明,动态低应力无变形焊接技术可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力和变形,接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊接头残余应力分布类似,但应力峰值降低50%以上.     

Deformation analysis of a friction stir-welded thin sheet aluminum alloy joint

The deformation characteristics of a friction stir welded thin sheet aluminum alloy joint were analyzed via numerical simulations.The simulated results were compared with the experimental results obtained for the deformation of actual welded joints.The results revealed that the deformation of the joint was described by an asymmetric distribution with a large deformation region occurring mainly in the advancing side.This asymmetric deformation was mainly caused by the direct mechanical force applied by the welding tool to the workpiece.Furthermore,the deformation characteristics of the fixed points on both sides of the weld revealed that the deformation of the retreating side fluctuated significantly during the welding process.That is,the retreating side exhibited less welding stability than the advancing side.The stress distribution of the welded joint showed that a high stress region was formed at the end of the weld.In addition,the final stress distribution of the welded joint resulted mainly from the shear stress in the x-y direction.     

搅拌摩擦焊接Al-Li合金接头的微观组织及力学性能

采用锥形带螺纹搅拌头搅拌摩擦焊接5mm厚的Al—Li合金轧制板材，并对接头组织、力学性能及断裂特性进行了研究．结果表明，焊核区组织发生动态再结晶，形成细小的等轴晶晶粒，在等轴晶的晶界处析出大量的偏析相．热影响区组织发生回复和粗化反应，形成粗大的棒状回复晶粒；热机影响区组织发生弯曲变形，但整体上仍保留带状组织形貌，前进侧热机影响区组织变形程度高于后退侧，该区同时还发生回复反应，且后退侧热机影响区内的回复晶粒数量多于前进侧．拉伸实验结果表明，焊接速度v=40mm／min时，接头强度达到最大值，为345MPa；v=60mm／min时，接头延伸率达到最大值，为9．6％．硬度测试结果表明，搅拌摩擦焊接头发生软化，前进侧的软化区宽度大于后退侧．断口形貌分析表明，接头断裂模式为韧-脆混合型断裂．     

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.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形及失效行为

使用搅拌摩擦焊（FSW）设备对厚度为6mm的7075高强度铝合金平板进行对接试验。设计出双径试样,采用液压伺服试验机对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行拉伸试验,并借助奥林巴斯显微镜和扫描电镜观察接头的变形及失效过程。结果表明,7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中出现双颈缩现象,颈缩首先在后退侧出现,随着加载的进行,前进侧也出现颈缩现象。微裂纹在接头中的前进侧和后退侧颈缩区内晶界处由微孔洞聚集产生。随着应变的增加,微孔洞数量明显增加,当应变足够大时,微孔洞连接形成微裂纹。微裂纹沿着与加载方向成45°向焊核区进行扩展,导致接头断裂,断裂位置位于接头中的焊核区,断裂方式为剪切断裂混合着微孔聚集型断裂。     

Q345/SUS304异种钢对接接头残余应力和变形的分析

以ABAQUS软件为平台,开发了热-弹-塑性有限元计算方法用于模拟Q345/SUS304异种钢多层多道焊对接接头的温度场、残余应力和焊接变形. 同时,采用试验方法测量了焊接接头的残余应力、横向收缩和角变形. 计算得到的残余应力、横向收缩和角变形与实测值吻合良好,验证了计算方法的妥当性. 结果表明,Q345母材与焊缝交界处的应力分布有明显的不连续性,靠近交界处Q345侧的较窄范围内纵向拉伸应力明显低于该区的两侧;SUS304侧的高纵向拉伸应力区明显宽于Q345侧. 此外,试验和数值分析表明,Q345/SUS304异质接头有较明显的角变形.     

Q345钢对接接头残余应力与变形的预测

以ABAQUS软件为平台,开发了用于模拟多层多道焊接头温度场、残余应力和焊接变形的热-弹-塑性有限元计算方法. 利用所开发的计算方法对板厚为16 mm的Q345钢平板对接接头的温度场、应力场和变形进行了数值模拟. 采用试验方法测量了对接接头的残余应力和角变形. 试验结果与数值结果比较吻合,验证了所开发方法的有效性. 结果表明,在板厚相同的条件下角变形和横向收缩随着焊接层数的增多有增大的趋势;焊缝附近的纵向拉伸应力区域分布范围随焊接层数的增加略有减小;焊接层数对纵向残余应力的峰值影响较小.     

铝合金搅拌摩擦焊物理场三维数值模拟

基于热物理模拟构建的2024-T3铝合金Arrhenius本构关系,使用Deform-3D软件建立了搅拌摩擦焊三维热-力耦合模型,模拟焊接过程温度、应力、应变等物理场在塑性变形区的分布状态. 结果表明,各物理场受焊速和转速的影响均呈不对称分布,其中材料在前进侧表现为压应力状态,在后退侧出现受拉应力状态;此外,在前进侧材料分别向焊缝表面和根部流动,当材料由后退侧向前进侧的流动速度小于在厚度方向上的流动速度时,在焊缝内产生缺陷,并通过试验验证了这一现象.     

铝合金双轴肩搅拌摩擦焊过程材料流动行为

由于下轴肩的引入,双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)过程中的材料流动行为较常规搅拌摩擦焊更为剧烈和复杂,显著影响接头力学性能. 以2219铝合金为研究对象,基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了BT-FSW过程三维热力耦合模型,并利用示踪粒子技术分析了焊接过程中材料的流动行为. 结果表明,BT-FSW过程中的材料流动存在不同时性,靠近轴肩的材料先开始运动,且流动剧烈,随着逐渐远离轴肩位置,材料流动愈加滞后,但流动状态更加平稳;水平方向上前进侧材料作为剪切层内侧材料,绕搅拌针旋转后大部分沉积于搅拌头后方前进侧区域,而后退侧材料仅受到剪切层内侧材料的带动,进而被旋推至后方沉积;厚度方向上塑性材料在抵达搅拌头后方焊缝中心线前流动较弱,随后材料受到上、下轴肩挤压向板材中心流动.     

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊组织演变与力学性能

通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、拉伸试验机和显微硬度计对6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头焊缝区组织演变和力学性能进行分层研究. 结果表明,在焊核区上层,材料发生塑性变形,晶格畸变能增加,为降低能量,大量的位错集聚成亚结构边界发生动态回复. 同时在焊接热循环的作用下发生动态再结晶,导致焊缝区上层晶粒细小. 在焊核区下层,主要受到搅拌针搅拌作用,轴肩产热通过扩散过程传递到下层的热量减少,发生动态回复和动态再结晶程度低于焊缝上层,晶粒粗大. 前进侧和后退侧热影响区均出现棒状β′沉淀相. 对应焊缝上、下两层硬度都呈“W”形分布,焊缝上层硬度高于焊缝下层硬度,最小值出现在前进侧. 沿着焊缝长度方向上层和下层的抗拉强度分别为205,186 MPa,呈降低趋势,为韧性断裂.     

GH4169高温合金惯性摩擦焊接头晶粒分布特征

GH4169镍基高温合金的显微硬度、组织和性能对热加工工艺很敏感,工艺控制不当,将会产生粗晶、混晶现象,影响持久缺口敏感性、冲击韧性等性能。试验发现在GH4169高温合金惯性摩擦焊管接头中,沿轴向焊合区附近具有超细晶一细晶的晶粒分布特征。根据GH4169合金动态再结晶的特点,结合惯性磨擦焊过程的特有热变形条件,本文对上述现象进行了分析,研究结果表明,GH4169合金惯性摩擦焊接过程中温度、应变、应变速率是造成焊接区细晶和超细晶组织的根本原因。GH4169合金惯性摩擦焊接头焊合区中热变形金属的动态再结晶过程进行的相当剧烈充分,其晶粒组织呈细小均匀的等轴晶特征,尽管存在着晶粒组织的不均匀性,但未发现粗晶和混晶现象。