搅拌针几何形态对无倾角搅拌摩擦焊焊缝成形的影响及其机制分析

无倾角搅拌摩擦焊工艺是保障平面二维及空间三维复杂焊缝焊接质量的关键技术。分别采用含有光面搅拌针、光面带切台搅拌针和螺纹带切台搅拌针的焊具进行无倾角焊接试验,对比研究焊缝形貌、缺陷分布和接头性能,以期阐明搅拌针几何形态对无倾角搅拌摩擦焊焊缝的影响及其机制,从而为无倾角搅拌摩擦焊工艺的高质量应用奠定技术基础。试验结果表明,在无倾角焊接条件下,光面搅拌针容易导致焊缝根部出现孔洞缺陷,难以形成优质接头;带切台搅拌针增强了焊缝中上部材料的塑性流动,由此间接促进了焊缝根部匙孔的填充,在较低焊速下可以获得无缺陷接头;搅拌针螺纹结构直接增强了焊缝根部材料的塑性流动,因而能在更宽的参数范围内形成无缺陷接头。与光面搅拌针相比,搅拌针切台结构增大了接头软化区宽度,提高了焊缝上部的软化程度,所得无缺陷接头的抗拉强度最高可达母材的86%。对比而言,在带切台搅拌针上进一步加工螺纹能够降低焊接热软化效应,减小软化区宽度并提高焊核区硬度,接头最高强度系数由此增大到了90%。     

静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化

为了解决非刚性支撑条件下传统搅拌头易陷入被焊接板材而导致焊接失败的问题,设计研发了静轴肩焊接结构。通过建立有限元仿真计算模型,并使用热红外成像仪对焊接表面温度进行实时监测,分析不同工艺参数下静轴肩摩擦搅拌焊焊接过程中的温度场变化情况。使用设计研发的静轴肩摩擦搅拌焊进行现场试验并对完成焊接表面无缺陷的焊缝与母材进行拉伸试验对比,检测其焊缝机械强度,并对断口进行微观组织分析。结果表明：在使用静轴肩搅拌头焊接过程中,产热量主要来源于搅拌针轴肩的摩擦生热和搅拌针端部的摩擦生热,搅拌针的侧面摩擦生热和静轴肩的摩擦生热占比较小;对产热量影响较大的是主轴压力和主轴转速,C轴转速对产热量影响不大;在主轴压力为2940～3430 N,主轴转速为1000 r/min,C轴转速为0.05 r/min的工艺参数下,完成焊接的焊缝表面光滑无飞边,内部无沟槽隧道缺陷,焊缝抗拉性能达到母材的71.5%左右;焊缝断口存在分层现象,靠近焊接表面的上层呈脆性断裂特性,下层呈延性断裂特性,与母材相比,焊缝试样的延伸率和抗拉强度均有所降低。     

AZ31B镁合金搅拌摩擦焊焊接工艺研究

采用搅拌摩擦焊对AZ31B镁合金板材进行了焊接试验,研究了搅拌头旋转速度、焊接速度和搅拌头轴肩下压量对焊接接头成形质量的影响。结果表明,搅拌头转速过快或焊接速度过慢时,焊缝会出现局部过热甚至熔化现象;反之,当搅拌头转速不够或焊接速度过快时,材料不能充分流动,会形成隧道型缺陷或表面沟槽。当搅拌头轴肩下压量过小时,焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷,焊缝表面出现沟槽,甚至使焊缝金属液外溢;搅拌头轴肩下压量过大,会造成摩擦力及搅拌头前移阻力增大、焊缝凹陷及出现飞边。当搅拌头转速为1200～1500r／min、焊速为30～60mm／min,搅拌头轴肩下压量为1．5～2．0mm时,可得表面成形良好、内部无孔洞和隧道的焊缝。     

异种铝合金搅拌摩擦焊塑性流场的实验研究

本文针对LY12和LF21的异种铝合金进行搅拌摩擦焊焊接,在被焊件不同深度嵌入示踪原子,焊后进行切割、取样及金相试验,在Mef3大型金相显微镜观察金属流动情况及示踪原子的分布状况,对焊缝前进侧、返回侧及不同深度处流场进行分析。实验结果表明,一方面,靠近焊缝顶部的流动主要受轴肩的旋转摩擦控制,而靠近焊缝底部的流动则主要由搅拌针上螺纹的旋转搅拌控制,这就会产生不同的流动状况;另一方面,在焊缝前进侧靠近搅拌针的区域,材料随搅拌针一起从前进侧流向返回侧,而在离搅拌针较远的区域,材料会向后流动;但在焊缝返回侧,材料均向后流动,只有少量材料流到前进侧。另外,从返回侧向前进侧的材料流动将在焊缝产生一个材料的竖直混合,以及围绕焊缝纵向轴线的复杂的循环运动。     

焊接参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响

研究了搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金焊缝形貌的影响。研究结果表明：采用左螺纹圆柱搅拌头进行焊接时,形成的焊核关于搅拌针中心不对称,回撤边塑性金属迁移程度大于前进边;搅拌头旋转速度和轴肩下压量相同时,增大焊接速度可使回撤边塑性金属向上迁移程度减弱,使焊核宽度及焊核中心偏向回撤边距离减小;搅拌头旋转速度和焊接速度相同时,增大轴肩下压量可使焊核宽度和焊核中心偏向回撤边的距离增大,使回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。     

无针搅拌摩擦点焊材料流动行为及其与接头宏观形貌、晶粒特征的相关性

搅拌摩擦焊接头材料流动行为是优化焊接工艺的根本所在,目前关于无针搅拌摩擦点焊流动行为尚未形成统一的认识。以0.02 mm镍箔为示踪材料,采用轴肩端面具有渐开线凹槽的无针搅拌头,改变旋转速度和焊接时间进行1.8 mm厚2198-T8铝锂合金搭接搅拌摩擦点焊试验,借助微焦点锥束三维CT设备、扫描电镜等测试手段,研究材料流动行为及其对接头宏观形貌、晶粒特征的影响。结果表明,轴肩下方的金属在轴肩挤压和摩擦热作用下先软化,以螺旋形向下向内流动形成搅拌区;随着焊接时间的延长,搅拌区金属向上和向外流动增强,致使搅拌区外缘界面翘曲,形成Hook缺陷。随旋转速度或焊接时间增大,搅拌区金属向下和向上向外流动加剧,焊核的深度和直径增大、晶粒更细小;下板金属软化程度加强,搅拌区外缘下板更多的塑化金属向上向外流动,致使Hook更翘曲。研究结果为深入了解无针搅拌摩擦点焊材料流动行为和优化焊接工艺提供了理论基础。     

锻造ZK60镁合金的搅拌摩擦焊工艺

采用搅拌摩擦焊焊接工艺对4 mm厚的锻造ZK60镁合金板进行了焊接试验,研究了搅拌头轴肩尺寸、旋转速度及焊接速度等对焊缝质量及接头抗拉强度的影响,并得到了较佳焊接工艺参数。结果表明:在其他条件一定时,焊接接头的抗拉强度随搅拌速度的增加而增大,随焊接速度的增加而先增大后减小;当搅拌头轴肩直径为15 mm、旋转速度为1 170 r.min-1,焊接速度为36 mm.min-1时,所得焊缝表面光滑,无裂纹、孔洞、疏松及未焊透等缺陷,接头的抗拉强度最大,为271.2 MPa,约为母材的85%。     

基于DEFORM的搅拌摩擦焊接过程数值模拟及流动分析

以塑性力学的基本理论为依据,通过Arbitrary Lagrangian-Eulerian（ALE）有限元方法,使用动态适应性网格建立焊接过程塑性金属流动有限元模型,利用金属塑性成形有限元软件Deform-3D模拟搅拌摩擦焊成形过程,得到了搅拌摩擦焊过程中的温度场分布以及焊缝区金属的流动。通过有限元模拟发现：焊接过程中由于搅拌针不断前进而在其后面形成空腔,搅拌摩擦焊的过程即为金属填充空腔的过程,FSW中常见的洋葱圆环结构就是涡旋状速度场造成的;通过模拟发现前进侧与返回侧的温度场关于焊缝分布不对称,呈倒三角形分布,且前进边温度低于返回侧,并因材料在不同温度下的剪切强度的差别而对焊缝流场产生影响,并与实际焊缝区形状相符;模拟采用点追踪技术结合嵌入性实验发现焊缝水平面内前进侧与返回侧塑性金属流动趋势不同,前进侧大量金属流向返回侧并在轴肩的下压力作用下向焊缝内部运动。     

搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动的抽吸—挤压理论

通过镶嵌多层铜箔作为标识材料,利用带螺纹和表面光滑的圆柱形搅拌针进行搅拌摩擦焊试验,确定了焊接时金属在焊缝厚度方向存在剧烈的塑性流动,搅拌针表面的螺纹是驱动焊缝塑化金属在焊缝厚度方向流动的主要因素.在试验基础上提出了焊缝塑化金属厚度方向流动的"抽吸-挤压"理论,认为当搅拌头旋转引起塑化金属沿螺纹表面轴向流动时,在螺纹的一端形成一瞬时空腔,周围塑化金属将被吸向此空腔,形成所谓抽吸效应;在螺纹的另一端,塑化金属将改变流向并挤压周边金属,形成所谓挤压效应:正是由于空腔对塑化金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑化金属的挤压作用,使高温塑化金属在焊缝厚度方向形成剧烈的环形迁移运动.用抽吸-挤压理论分析了焊缝中洋葱瓣花纹的形成,洋葱瓣中心的位置及隧道型缺陷的位置与由此理论分析的结果一致.通过工艺试验观察洋葱瓣花纹尺寸变化及他人的试验结果,验证了用"抽吸-挤压"理论预测焊缝成形的正确性.     

铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对焊接温度的影响

搅拌摩擦焊是一种新型的、绿色环保、高效的固相焊接技术,其过程涉及由轴肩和搅拌针构成的无损耗搅拌工具。焊接过程中,高速旋转的搅拌工具插入到工件表面直至轴肩与工件接触,并沿焊缝向前行进,利用搅拌工具与工件产生的摩擦热使待焊材料塑化,并在搅拌工具的带动下产生流动与混合从而实现焊接。详细分析了搅拌摩擦焊接的微观组织结构,搅拌工具以及主要工艺参数对焊接的影响并通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度的影响。试验研究表明,主轴转速和焊接速度对焊接温度的影响较大,下压量对焊接温度的影响不大。     

螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊塑性连接机理及接头力学性能研究

为了获得铝合金板材高性能点连接接头,兼顾机械连接与固相焊接的技术优势,采用不同焊具开展了铝合金板材搅拌摩擦铆焊试验。对比研究铆焊成形力、接头形貌及塑性变形机理和力学性能及失效行为,以期阐明螺纹铆钉式搅拌摩擦铆焊工艺对接头性能的强化机制。结果表明：搅拌摩擦铆焊过程中,随工具头位移变化,铆焊成形力呈先迅速增大、达到峰值后在一定范围内保持最后迅速降低的变化趋势;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头上下板材之间形成了冶金结合,螺纹铆钉与塑化材料之间形成机械连接;轴肩下方上板的有效板厚、搅拌区的有效结合宽度以及铆钉与被焊材料的有效铆合高度是影响螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头力学性能的关键技术参数;螺纹铆钉搅拌摩擦铆焊接头的拉伸剪切峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的1.65倍,十字拉伸峰值载荷达到了传统搅拌摩擦点焊接头的2.7倍。     

5083铝合金带吻接FSW接头疲劳强度分析

针对具有吻接缺陷的5083铝合金板搅拌摩擦焊(FSW)对接接头试件,探索了吻接缺陷对搅拌摩擦焊对接接头疲劳强度的影响.使用维氏显微硬度仪测量了试件接头焊缝横截面硬度分布,测试结果显示,硬度值分布大致呈W趋势.采用MTS809疲劳测试机对试件进行疲劳测试,得到了不同吻接深度拉伸式样的名义应力-寿命关系.对疲劳断口进行SEM扫描并测量了接头吻接缺陷深度,发现疲劳裂纹均起源于吻接缺陷区域.通过有限元软件ABAQUS对不同吻接深度试件进行了应力应变分析,分别采用缺口应力法和局部应力应变法对试件进行了疲劳寿命预测.预测结果表明,缺口应力法在低周疲劳预测时效果较好.     

搅拌摩擦焊缝类型对接头拉伸性能及断裂特征的影响

采用三种不同针长的搅拌头对6082-T6铝合金板材进行焊接,获取三种类型的焊缝,即未透对接焊缝、已透对接焊缝和对-搭组合焊缝,通过对焊缝金相观察、拉伸测试和断口分析,得到焊缝类型对接头拉伸性能及断裂特征的影响规律。不同类型焊缝的表面成形区别不大,但内部成形各有特点。未透对接焊缝根部界面处形成未焊合缺陷;已透对接焊缝中无缺陷;对-搭组合焊缝后退侧和前进侧形成“钩状”缺陷。拉伸测试表明,未透对接接头拉伸性能最低,裂纹在未焊合处产生并沿焊核区扩展,接头下部呈现剪切断裂特征,接头上部呈现准解理和剪切混合断裂特征;已透对接接头拉伸性能最高,断裂位置位于前进侧热机影响区,断口呈现出典型的剪切断裂特征;对-搭组合接头拉伸性能居中,裂纹在前进侧“钩状”缺陷处产生并沿焊核区扩展,断口形貌与未透对接接头相似。     

2A12铝合金搅拌摩擦焊工艺与焊缝组织特征分析

通过2A12高强铝合金的搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding.简称FSW）试验,研究了搅拌摩擦焊焊缝组织的宏观形貌。结果表明,带梯形螺纹特征的搅拌头能有效地增加塑化材料的流动性;焊缝的宏观组织可分为4个区域（母材区、热影响区、热机影响区和焊核）,与母材相比较,焊缝区的组织都发生了明显的变化;由于楔形挤压作用、空腔作用、温度差等缘故,前进侧与焊缝材料之间存在显著的相对变形差和组织差异,形成明显分界面;焊接空洞缺陷易出现在前进侧中部的分界面处;而在后退侧,焊缝材料塑性流动方向与母材材料塑性流动方向一致,母材的变形和组织与焊缝材料相差很小且变化均匀,二者的分界面不明显。     

5A05铝合金薄板搅拌摩擦焊装配因素对焊缝质量的影响

文中通过5A05铝合金薄板搅拌摩擦焊对接试验,进行了力学性能分析和X射线探伤,研究接头错边量和间隙量对搅拌摩擦焊对接接头缺陷和力学性能的影响。试验结果表明当错边量大于0.5 mm或间隙量大于0.8 mm时焊缝力学性能下降并伴随下压量增大和缺陷的产生,接头缺陷与拉伸试验断裂部位大多在焊缝前进侧。错边量和间隙量对铝合金薄板搅拌摩擦焊对接接头力学性能及内部质量有重要影响,为保证焊接生产质量,搅拌摩擦焊焊接过程中应该严格控制接头错边量和间隙量。     

搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响

与传统熔化焊相比,搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding, FSW)因温度梯度较小,可以减少焊接裂纹和残余变形,是一种极具前途的铝合金固相焊接方法。相同焊接工艺参数下,搅拌头是影响焊接热输入和材料流动的主要因素之一,决定焊缝的组织与性能。基于固体力学有限元法和A7N01铝合金材料本构方程,建立基于Deform软件搅拌摩擦焊刚黏塑性仿真模型,并通过焊接试验的测温曲线和试验缺陷完成了模型验证,对比分析了圆台、三平面、四平面搅拌头平面对搅拌摩擦焊稳态焊接阶段的温度场、峰值温度曲线和材料流动行为的影响。结果表明,多平面搅拌头的焊接热输入高于圆台搅拌头,在材料塑性流动范围、流动均匀性和有效焊缝等指标方面优于圆台搅拌头。搅拌头的平面特征在材料流动过程中能够起到明显的挤压作用,从而细化焊缝区的晶粒,提高焊接接头的力学性能。基于仿真和试验结果分析,揭示了焊接犁沟缺陷的成因,并提出了预防措施。     

2A14厚板铝合金SSFSW角焊缝接头组织及性能

采用自主研制搅拌针长度为8.5mm的静止轴肩搅拌工具和2A14-T4厚板铝合金进行150°角焊缝接头静止轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。结果表明:在500~700r/min主轴转速与40~100mm/min焊接速度范围内均可获得表面光滑无内部缺陷的角焊缝接头,其外观尺寸可精确控制基本无残余焊接角变形。焊缝区主要由焊核(Stir zone,SZ)组成,SZ形状类似搅拌针圆锥台状或椭圆状、其宽度沿厚度方向分布比较均匀;热力影响区(Thermal mechanical affected zone,TMAZ)及热影响区(Heat affected zone,HAZ)宽度明显较小。焊缝区硬度分布具有明显不均匀特征,最薄弱区位于TMAZ与HAZ的交界处。主轴转速变化对焊缝区平均硬度影响较小,但随着焊接速度增加其平均硬度明显增大。角焊缝前进侧等效拉伸强度大于后退侧,等效拉伸强度随转速增加而减小,焊速的增大而增大。在500r/min-100mm/min焊接工艺下所得到的接头等效拉伸强度最高,可达到母材的79.24%。在拉-剪复合承载模式下,角焊缝拉伸试样宏观塑性变形很小呈现脆性断裂特征。     

静轴肩FSW铝合金6061-T4板的T形接头组织特征及动静载特性研究

利用自主开发的静止轴肩焊接工具及工装,在不同的焊接参数下均获得到了外观成形良好、无焊接缺陷的T形接头,并对接头内部成形、显微组织、硬度、静载强度和疲劳性能及疲劳失效机制进行了研究。研究结果表明铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T性接头内部质量良好,无缺陷,接头表面存在表面超细晶区,且焊核区内部由于流动状态不同导致组织及硬度存在一定差异,T形接头底板及筋板硬度较母材有不同程度的降低,底板和筋板拉伸试验均断裂于接头热影响区,在优化的参数下底板和筋板方向的接头系数均高于0.7,在2×10⁶疲劳寿命下的特征疲劳强度可达101.0 MPa,远高于IIW建议的设计准则。焊接速度对接头疲劳性能及疲劳失效机制影响较大,疲劳裂纹萌生于T形接头底板和筋板过渡处,低焊速时断裂机制为穿晶断裂,高焊速时由于晶界稳定性差,断口呈现穿晶断裂和晶间断裂的混合形貌。完成了铝合金T形接头的无缺陷焊接及组织性能研究,为铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T形接头在新型轻量化航天器密封舱结构中的应用提供了技术支撑。     

WC-Re复合搅拌头设计及其制造工艺研究

针对高温搅拌摩擦焊接过程中搅拌针和轴肩失效形式和程度不一致,以及现有的用于高温搅拌摩擦焊接搅拌头制造的材料的成本过高问题。提出了一种复合材料搅拌头的设计。搅拌针采用WC-Re合金,轴肩采用WC-Co合金,两部分用圆锥面连接。通过数值计算得出适中锥度,针对WCRe合金与WC-Co合金在电火花加工过程中腐蚀速率不一致所形成的凸台特征,提出了该搅拌头的三级制造工艺。使用试制的搅拌头进行焊接试验,试验结果表明本搅拌头结构合理,能适应搅拌摩擦焊接过程中的高温高压力复变环境。     

2014铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟

将搅拌摩擦焊接过程中材料的流动看作是层流、粘性、非牛顿流体绕过旋转的搅拌头探针,并基于流体力学理论,建立了三维搅拌摩擦焊缝金属塑性流动的数值分析模型。提出了一种联合粘度场、速度场对焊接区域进行划分的方法:搅拌头周围的η0(材料粘度值)内易流动区域对应于焊核,η0外围与η1粘度带之间的区域对应于TMAZ区。三维模拟中材料的垂直方向流动与“标记嵌入技术”流变可视化试验结果吻合较好:靠近探针的区域内,回撤边中下部的材料向上运动,前进边中下部材料向下运动。焊接速度过高,搅拌头轴肩与探针过渡处的易流动区容易发生材料的分离运动,实际焊接中在此处容易产生空洞缺陷。