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.     

基于数值模拟的搅拌摩擦焊接成形缺陷预测

采用DEFORM-3D软件建立了搅拌摩擦焊三维热-力耦合有限元模型,通过数值模拟研究了不同工艺参数条件下预测搅拌摩擦焊成形缺陷的方法。将数值模拟的缺陷预测结果与实验结果进行对比,验证了本模型进行缺陷预测的可行性。为了研究焊缝成形缺陷产生的原因,对比分析了搅拌倾角、焊速等工艺参数影响搅拌摩擦焊温度及材料流动的规律,结果表明,增大搅拌头倾角可明显增加焊缝前进侧材料的焊接温度,增大焊速会小幅降低前进侧根部材料的焊接温度。同时,增大搅拌头倾角可增大搅拌头后方材料的接触压力,相应地可增大其摩擦驱动力,促使材料产生塑性流动;但增大焊速,会使接触压力降低,使材料因摩擦驱动力不足而流速过小,甚至停止流动形成孔洞型缺陷。     

基于CEL方法的Al/Mg搅拌摩擦焊温度场及材料混合流动研究

本文基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法建立5A06铝合金与AZ31B镁合金对接搅拌摩擦焊（FSW）的全热力耦合数值模型,并结合试验测试对Al/Mg异种金属FSW过程的温度场及材料混合流动特征进行研究。数值模拟所得特征点的温度循环曲线、焊缝表面形貌以及横截面上异种材料的混合分布状态均与试验结果吻合良好。在此基础上,采用质点追踪法对材料混合流动行为进行了深入分析。结果显示,高温区集中分布在轴肩下方区域,返回侧(Mg侧)温度较低温度梯度较大。焊缝区上表面材料熔合线偏向于前进侧(Al侧)。搅拌针附近材料流动剧烈,前进侧和返回侧的大部分材料都较均匀地沉积于搅拌针后方。前进侧与返回侧材料在水平和竖直方向上的交叉混合流动,最终形成了两种材料“咬合式”的界面特征。     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌头转速对材料流动的影响

使用有限元方法模拟了不同搅拌头转速下,搅拌摩擦焊接过程中Al6061～T6材料的三维流动,以及材料流动与搅拌头转速的关系,结果表明,在搅拌摩擦焊接过程中,后退侧的材料流动较前进侧更为剧烈,并且随着搅拌头转速的增加,材料流动也会得到不同程度增强,搅拌头前方的材料在搅拌头的推动作用下向上涌起,被旋推到搅拌头后方并向下运动,该过程的周而复始是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因,等效塑性应变等值线的形状与材料热影响区,热力影响区以及搅拌区的边界形状具有较好的对应关系,随着搅拌头转速的增加,等效塑性应变随之增加。     

搅拌摩擦焊接头形成过程的二维观察与分析

用紫铜作标示材料，进行了LF6铝合金的搅拌摩擦焊试验，焊后在与焊缝表面平行的截面上，观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹。结果表明，搅拌摩擦焊过程中，焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的，在焊缝的前进边，材料既向搅拌头前方流动也向搅拌头后方流动；在焊缝的返回边，材料只是向搅拌头后方流动，且有部分材料进入前进边。根据试验观察结果，建立了焊缝金属在水平面上的二维挤压模型，并用运动分解、合成的方法研究了探针周围热塑性材料的流动趋势，模拟了标示材料在焊接过程中的流动状态，模型能较好地解释试验所观察到的现象。     

铝合金搅拌摩擦焊材料流场非对称性的数值模拟研究

铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,搅拌头附近的材料在高温下发生剧烈的塑性流动。FSW过程中的材料流动直接关系到接头质量。由于运用试验直接观察手段研究固态金属的瞬态塑性流动十分困难,因此数值模拟是研究FSW过程中材料流动行为的重要手段。针对2024铝合金建立了基于计算流体力学(CFD)的材料流动模拟仿真模型,模拟得到了FSW过程中温度、塑性变形等物理量的三维分布。模拟结果与试验结果对比表明,温度场模拟结果与试验结果吻合良好;分析模拟结果发现,搅拌头附近材料应变速率并非对称分布。模拟结果表明,FSW过程中,材料在搅拌针前方分流,在搅拌针后方焊合,分流与焊合位置均位于前进侧;随着焊接速度的提高,焊合难度增大,从而使FSW过程中沟槽缺陷产生的倾向性增大。     

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。     

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.     

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.     

搅拌摩擦焊对接面附近材料流变行为研究

搅拌摩擦焊(FSW)过程中的对接面附近工件材料流动变形行为与许多缺陷的形成密切相关。通过开展搅拌摩擦焊试验,研究对接面附近材料在FSW过程中的流动与变形行为。针对AA2024-T3铝合金进行研究,通过采用预制氧化膜为标示材料的方法进行标示,并采用不同的焊接参数进行FSW试验。结果表明,预制氧化膜在焊接过程中完全破碎,在焊缝中以氧化铝颗粒的形式呈有规律的“S线”分布,并且随着搅拌头转速的上升,宏观上“S线”分布宽度降低,局部上氧化铝颗粒尺寸越大,分布越紧密。标示材料在接头中的沉积特征体现出,在较低的搅拌头转速下,对接面附近工件材料在FSW过程中经历了剧烈的应变,而随着搅拌头转速的提高,总应变量反而减小。     

Investigation of the material flow and texture evolution in friction-stir welded aluminum alloy

The material flow and crystallographic orientation in aluminum alloy sheets joined by friction stir welding (FSW) were investigated by electron back scattered diffraction (EBSD). The microstructure and microtexture of the material near the stir zone was found to be influenced by the rotational behavior of the tool pin. It was found that, during FSW, the forward movement of the tool pin resulted in loose contact between the tool pin and the receding material at the advancing side. This material behavior inside the joined aluminum plates was also observed by an X-ray micrograph by inlaying a gold marker into the plates. As the advancing speed of the tool increases at a given rotation speed, the loose contact region widens. As the microtexture of the material near the stir zone is very close to the simple shear texture on the basis of the frame of the tool pin in the normal and tangent directions, the amount of incompletely rotated material due to the loose contact could be estimated from the tilt angle of the shear texture in the pole figure around the key hole.     

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。     

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。     

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.     

轴肩作用下的金属流动过程分析

采用阳极氧化的方法在待焊试板表面制备标记氧化膜作为标记材料,研究搅拌摩擦焊轴肩作用下的金属流动行为. 结果表明,标记氧化膜在焊缝中连续分布,从焊缝截面观察整体呈“C”形. 流动过程分析表明标记氧化膜处于轴肩前部时,金属向焊缝后退侧的外侧流动;标记氧化膜处于轴肩后部时,金属向焊缝中心流动,此外由于竖直方向上的速度差异使得标记氧化膜最终呈“C”形. 从标记氧化膜的分布位置来看,轴肩作用下的金属有从前进侧向后退侧迁移的趋势,金属迁移数量取决于所选择的焊接参数.     

Analysis of tool geometry in dissimilar Al alloy friction stir welds using optical microscopy and serial sectioning

Abstract

The influence of tool geometry on material flow during friction stir welding of dissimilar aluminium alloys is investigated. Sheets of Al 2024 and Al 6061 alloys are friction stir welded in lap and butt configurations using different welding conditions. Optical microscopy with serial sectioning is utilised to systematically study material flow when small variations are made to the tool pin. It is shown that three flat features on the pin impose vertical material flow which can promote intermixing. When a threaded tool is used, the material flow and formation of the intermixed region depends on the orientation of the base materials, since the differences in viscosity of material on the advancing versus retreating side of the tool will inhibit intermixing. Decreasing the travel speed will promote intermixing by increasing the residence time to compensate for the differences in material viscosity that otherwise limit intermixing.     

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.