7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟

根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075-T7351铝合金板材为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究不同转速、焊接速度对温度场及残余应力场的影响规律.结果表明,焊接过程峰值温度在500℃左右,接头最高温度出现在搅拌头后部大约5 mm处;接头残余应力以纵向残余应力为主,在垂直焊缝方向上呈M形分布,最大值约为150 MPa;当搅拌头转速一定时,随着焊接速度的增大,峰值温度减小,峰值纵向残余应力增大;当焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大,且转速越大,纵向残余应力分布越均匀.     

铝合金搅拌摩擦焊过程热力演变的三维数值模拟

对搅拌摩擦焊过程中搅拌头速度变化进行分析,建立了考虑搅拌摩擦焊过程中焊缝产热的热源模型.对2024铝合金搅拌摩擦焊温度场和应力场进行了三维有限元模拟,表明焊缝两侧温度和应力分布的不对称现象不明显,主要由于焊接速度远小于搅拌头转速所致,但随着焊接速度加快,这种不对称现象逐渐加强.焊接过程中焊缝中心温度低于搅拌头边缘温度,焊接前方和两侧均为压应力,后方为拉应力;焊接结束后与搅拌头接触区的横向和纵向残余应力为较大拉应力,远离焊缝残余应力较小;沿厚度方向上,横向和纵向残余应力均逐渐降低.有限元计算结果与短波长X射线应力测试结果进行对比,结果表明,二者趋势基本吻合.     

飞机蒙皮2A12铝合金搅拌摩擦焊的数值模拟研究

基于COMSOL对民航飞机蒙皮材料2A12铝合金搅拌摩擦焊进行了多物理场耦合的数值模拟研究,分析了焊接速度、搅拌头转速对模型中温度场及残余应力的影响,并通过实验对比验证了模型的准确性和可靠性。结果表明,在2A12铝合金板搭接部位,温度分布呈现"V"形分布。铝合金板中的最高温度及工件中的残余应力均随着焊接速度和搅拌头转速的变化而变化,为了保证焊接质量,最大焊接速度一般不能高于1.9 mm/s。同时,随着搅拌头转速的增加,工件中的最大残余应力和最高温度呈现先增大后逐渐平稳的趋势;纵向应力和横向应力分布均为M型,在焊缝处纵向应力集中为拉应力,横向应力在工件边缘表现为压应力,在焊缝附近为拉应力。     

旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响。结果表明：常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布。相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度。焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现“M”形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大。此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%。     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

工艺参数对铝合金搅拌摩擦焊变形和残余应力的影响及优化

FSW作为先进固相连接技术,广泛应用于轨道交通车辆生产制造中。文中结合理论与试验研究了FSW工艺参数对6005A-T6铝合金枕梁搅拌摩擦焊接头残余应力与焊接变形的影响,首先建立了枕梁有限元模型,采用顺序热力耦合的方法,计算了不同工况下焊接接头的残余应力与变形,进而开展枕梁结构搅拌摩擦焊试验,采用钻孔法对焊接试件进行了残余应力测试,并对仿真分析和试验检测结果进行了对比分析,然后对仿真结果开展了正交试验、极差分析、回归分析得出残余应力与焊接变形和焊接工艺参数的关系式,最后对所得数学模型进行粒子群优化分析。结果表明,焊接速度一定时,提升一定的主轴转速,低焊速下横向残余应力峰值变化量更大,而高焊速下纵向残余应力、焊接变形峰值变化量更大;主轴转速一定时,提升一定的焊接速度,低主轴转速下横向残余应力、焊接变形峰值变化量更大,而高主轴转速下纵向残余应力峰值变化量更大;采用粒子优化算法所得的最优残余应力与焊接变形组合为残余应力峰值199.9 MPa,焊接变形峰值0.352 mm,对应焊接参数为焊接速度461.6 mm/min,主轴转速300 r/min,其优化效果为6.13%。文中所得结论为枕梁及其类...     

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。     

搅拌头尺寸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的影响

根据搅拌摩擦焊特点及库仑摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究搅拌头尺寸对温度场及残余应力场的影响规律。研究结果表明:纵向残余应力分布呈M形,最大值出现在轴肩边缘处;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径增大,峰值温度升高,残余应力峰值增大,且高应力范围变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值。与搅拌针长度相比,轴肩尺寸对峰值温度和残余应力影响显著。     

铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力超声波法测量

开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置,在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转,内部搅拌针旋转,获得了无弧纹的搅拌摩擦焊缝表面。焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件,使用超声波焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量。测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大值可达母材抗拉强度的66%左右,应力峰值不低于弧焊,纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近,横向残余应力值低于纵向残余应力。     

6005A-T6铝合金型材搅拌摩擦焊与MIG焊的数值分析

以轨道车辆用铝合金车钩面板为研究对象,应用数值分析技术,分别模拟了车钩面板MIG焊与搅拌摩擦焊的焊接过程,得到2种焊接方法的焊后变形与残余应力,并进行对比分析。结果表明:采用MIG焊的车钩面板焊接变形呈马鞍状,最大变形量为-1.515mm;较大的焊后残余应力主要集中在焊缝区,最大应力值为248 MPa。搅拌摩擦焊后的车钩面板为反马鞍状变形,变形最大值为-0.72 mm,焊缝区残余应力最大值为225 MPa。经对比可知,采用搅拌摩擦焊的车钩面板焊后变形小于MIG焊的,且焊道中的残余应力较小,为较优的焊接方法。研究结果对促进搅拌摩擦焊在铝合金轨道车辆上的应用具有十分重要的现实意义。     

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。     

基于ANSYS的6082铝合金T形接头MIG焊的有限元模拟

借助有限元分析软件ANSYS,模拟了6082铝合金T形接头MIG焊的焊接温度场和应力应变场.采用移动的双椭球热源模型模拟MIG焊过程,并考虑到了母材6082和焊丝ER5356这2种材料随温度变化的热物理性能参数.通过3种不同的焊接速度模拟比较发现,随着焊接速度的增大,温度场区域面积减小,熔池温度降低,焊缝处纵向和横向残余应力均增大,热影响区和垂直于焊缝方向上纵向残余应力均减小,同时焊接角变形也会减小.     

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。     

车体铝合金熔化极气体保护焊与搅拌摩擦焊残余应力研究

采用小孔法分别对6 mm厚度7020铝合金的熔化极气体保护焊及搅拌摩擦焊对接接头的残余应力进行了测试。结果表明,用两种焊接方法得到的焊接接头,其纵向应力均大于横向应力,对比7020铝合金搅拌摩擦焊接头和熔化极气体保护焊接头中的纵向残余应力,发现搅拌摩擦焊接头的纵向残余应力峰值要远远小于熔化极气体保护焊接头中纵向残余应力峰值。搅拌摩擦焊接头的最大纵向残余应力为50 MPa,而熔化极气体保护焊接头的纵向残余应力最大值已经达到了90MPa。     

应力应变、疲劳与脆断、断裂力学

20093070搅拌摩擦焊应力变形有限元模拟的研究进展/鄢东洋…//焊接.-2009(1):19~24,40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,因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。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。图6参4120093071薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制/李光…//焊接.-2009(1):29~32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,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...     

铝合金6061高转速无倾角微搅拌摩擦焊温度分布研究

对0.8 mm厚6061铝合金超薄板微搅拌摩擦焊过程进行测温实验,并对微搅拌摩擦焊过程工件温度控制技术进行研究,分别研究了工艺参数如焊接速度、主轴转速、下压量以及焊接过程外加压缩空气冷却等因素对微搅拌摩擦焊过程工件温度的影响。测温实验结果表明,随焊接速度的升高,焊接热输入降低,温度峰值下降,冷却速度值减小,主轴转速越高,热输入越大,温度峰值上升,冷却速度值增大。当下压量增大,产热剧烈升高,下压量从0.05 mm增大至0.1 mm,距离焊缝5 mm处的温度峰值从72.28℃上升至115.06℃,增加了54.65%。在保证焊接质量的前提下,尽量降低下压量对控制温度峰值具有良好的效果。此外,外加气冷是控制温度峰值的有效手段,对冷却速度的影响最大。加气冷时冷却速度值增大约为未加气冷时的4倍,有利于降低高温停留时间,改善焊缝冷却过程。     

2219铝合金搅拌摩擦焊温度与残余应力热力耦合模拟

针对航空用2219铝合金,基于搅拌摩擦焊产热理论开发了自适应移动热源,结合商用有限元分析软件MSC.marc,建立了搅拌摩擦焊过程的有限元模型。同时,对焊接过程中的动态温度场及焊后残余应力场的分布进行了详细研究。结果表明,焊接过程中稳定焊接温度达532.4℃,峰值温度达到570℃,焊后焊缝区域应力以纵向应力为主,垂直于焊缝的截面的应力呈M型分布,最大值约为146 MPa。此外,针对10 mm厚的2219铝合金板材开展了搅拌摩擦焊实验,利用Proto X射线仪对焊后残余应力进行测试,验证模型准确性。     

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.     

摩擦搅拌焊接过程残余应力的中子衍射法测量分析

利用中子衍射法测量了2024-T4铝合金板摩擦搅拌焊接头残余应力分布,得到了接头内部不同位置处的残余应力,研究了焊接速度对残余应力的影响。结果表明,纵向残余应力总体水平比横向残余应力高,是接头内的主要残余应力;当搅拌头转速相同时,提高焊接速度,纵向残余应力增大;横向残余应力除了在匙孔附近较大外,在其余位置处的残余应力都围绕0轴在拉应力与压应力之间波动,整体残余应力水平相对纵向残余应力小很多。     

316L不锈钢T型接头温度场与应力场数值模拟

运用SYSWELD模拟软件分析了316L不锈钢T型接头的温度场与应力场,并利用试验方法对模拟结果进行了验证。试验结果与数值模拟结果吻合良好,证实了模拟316L T型接头的可靠性。结果表明,T型接头截面温度分布由扇形分布向椭球状分布转变,且随着焊接道次的增加,温度分布区域增加;焊接时温度场沿焊缝中心呈对称分布,其焊缝区与母材区温度差异较大;第2道焊接的温度峰值明显最大,其腹板温度的峰值温度明显高于翼板的峰值温度,且随着离焊缝越远,其热循环曲线变化越小;不论是纵向残余应力还是横向残余应力,其沿焊接方向上均呈帽状分布,最大纵向残余拉应力出现在焊缝中部,而最大横向残余应力出现在靠近中部焊缝位置;垂直于焊缝的纵向残余应力和横向残余应力均表现出近焊缝区较大拉应力。