T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究

通过一系列工艺参数试验,获得无缺陷的T型接头焊缝。针对缺陷的形成,重点分析三种不同的搅拌针,即圆锥光针、圆锥螺纹针和短圆柱光针,对6 mm厚的6082-T6铝合金T型接头从内角角焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊接,并分析对应的焊缝产生的宏观缺陷。发现角接静轴肩搅拌摩擦焊容易在前进侧产生孔洞或沟槽缺陷。进一步分析发现,缺陷的产生受T接搅拌针和T接静轴肩的影响,在搅拌头周围,受T接静轴肩和T接搅拌针上部的影响,会形成搅拌针上部塑性流动区域,受搅拌针下部的影响,会形成搅拌针下部塑性流动区域.通过研究提出:搅拌针下部的孔洞缺陷可以通过采用螺纹的锥形搅拌针进行消除。而搅拌针上部的孔洞缺陷受到90°的T接静轴肩几何形状的影响流动能力较弱,通过倾角的改变可获得无缺陷的焊缝,并且对其缺陷形成机制的物理模型进行分析。     

搅拌摩擦焊接材料流动模型及在缺陷预测中的应用

为了研究搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接过程的影响机理,基于DEFORM-3D软件建立了带倾角的FSW三维热-力耦合模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程中焊缝区材料的三维运动轨迹,对比分析了有无倾角时FSW过程中材料流动行为的差异. 结果表明,前进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,返回侧的材料大部分被搅拌头旋推至后方而沉积;采用倾角可以增强搅拌头后方材料从返回侧运动至前进侧区间的流动性,同时还有利于增强材料在厚度方向的运动能力. 根据模拟的材料流动行为对接头缺陷进行了趋势预测,预测结果与试验结果吻合良好.     

夹具拘束模型在焊接过程有限元分析中的建立及应用

夹具及垫板的拘束作用对被焊平板试样残余应力与变形的演变历程具有重要影响。将夹具和垫板作为弹塑性体包含到焊接数值模拟模型中,采用4种模型模拟夹具及垫板与被焊平板试样之间的相互作用,能够提高焊接数值模拟研究方法的科学性和准确性.数值模拟结果表明,夹具拘束作用的不同处理方式对平板试样焊后残余应力分布与变形趋势有重要影响,不同拘束条件下的平板试样残余变形模拟结果,与平板试样在自由状态下和夹具夹持状态下焊接实验获得的变形趋势均一致,在焊接过程初期阶段,平板试样上下表面的横向应力分布差异,对决定平板试样的残余变形趋势有重要影响。     

搅拌摩擦焊温度场的数字孪生建模方法

作为制造技术数字化与智能化的关键技术,数字孪生技术的发展对现有建模方法提出了新的要求. 其中,信息与物理的实时融合是数字孪生建模方法中的关键. 以搅拌摩擦焊(FSW)为例,建立了一种可在“移动热源法”数值模拟中实时融入实测温度数据的迭代式信息-物理融合算法,并论证了基于此对焊接温度场进行实时复刻的可行性. 算例试算表明,此迭代式信息-物理融合算法具有较高的可靠性,基于迭代式信息-物理融合算法的计算得到的温度相对实测温度的平均误差在5 ℃以内. 此外,采用时间步长1.5 s或2.0 s时,计算所消耗的时间将少于焊接的物理过程时间. 这使得“移动热源法”数值模拟与FSW物理过程能够以秒级的时间精度进行同步. 因此,将传感器数据实时融入与物理过程同步的数值模拟模型,是实现焊接过程数字孪生的一种可行方法.     

相似理论在焊接温度场和应力场及应变场中的应用

从焊接热效应为焊接残余应力和残余变形的根本原因出发,认为相似温度场是相似应力场及应变场的前提。利用因次分析法,忽略弹、塑性形为能及相变引起的能量变化,推导出焊接温度场相似应满足的条件。在此基础上,利用方程分析法导出应力场及应变场的对应关系。为了进行数值验证,还推导出为满足相似温度场高斯热源应具备的必要条件。为了表明所推导相似条件的可行性,本论文利用平板表面堆焊的数值模拟进行验证,得到较好的结果。     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.     

焊接速度对AA6082搅拌摩擦焊接头根部缺陷及性能的影响

研究了不同焊接速度对5.1 mm厚6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头根部缺陷及性能的影响.采用光学显微镜观察了不同参数下接头根部缺陷形貌并对不同焊接速度下的接头进行了拉伸和弯曲试验.结果表明,随着焊接速度的不断增加,接头根部未焊透缺陷倾向变大,接头软化区部位最低硬度值逐渐增高.焊接速度由50 mm/min增大到400 mm/min时,接头抗拉强度逐渐增加.进一步增大焊接速度到600 mm/min时,由于根部未焊透缺陷的严重性变大,造成接头强度下降.在软化区是接头薄弱区的条件下,其尺寸较小的根部缺陷不影响接头抗拉强度.但是对接头的抗弯强度有显著的不利影响.     

MTFM的建立及其在铝合金筒体结构焊接变形预测中的应用

应用以温度为控制变量且体现焊接温度场瞬时移动特性的高效计算方法——移动温度函数法(moving temperaturefunction method,MTFM),综合采用材料性能依赖于温度及温度历史的材料新模型,建立了4种几何尺寸铝合金简体结构的焊接过程三维有限元模型,预测了焊后母线下凹变形.同时,应用传统顺序耦合计算方法建立了有限元模型以对比计算效率与精度,并进行了实验验证.与传统顺序耦合计算方法相比,MTFM耗时均缩短60%以上,大幅提高了计算效率;所预测的铝合金简体结构焊后下凹变形量与传统顺序耦合计算方法模拟结果以及实际测量结果均吻合较好,计算误差小于10%.本文所应用的高效焊接数值模拟计算方法适用于不同几何尺寸铝合金简体结构,一定程度上说明了MTFM对不同结构和尺寸的焊接结构焊后变形预测的适用性.     

地铁列车车顶结构焊接变形模拟

以地铁列车车顶结构为研究对象,应用数值模拟技术开展其焊接变形的研究。基于分段温度函数法的高效计算方法,建立了该焊接结构的三维有限元模型,得到了其准稳态温度场和焊后变形分布。同时对圆顶结构的实际变形情况进行测量,对模拟结果进行了验证。对比结果证明,模拟结果可以较好地符合实际,其趋势相同,最大变形量误差在20%以内,具有一定的参考性。说明了使用分段温度函数法对大型结构进行模拟具有较高的准确性,也为进一步控制车顶结构的变形提供了方法和依据。     

采用搅拌摩擦焊方法制备的非晶增强铝基复合材料的微观组织分析

利用金相、EDS、XRD及TEM试验等对采用源于搅拌摩擦焊方法的搅拌摩擦加工技术制备的非晶增强铝基复合材料的微观组织结构进行试验分析.结果表明,非晶增强体与基体5A06铝合金经过搅拌摩擦加工过程充分的搅拌作用,获得了层状混和组织结构.复合材料中存在大量的90~400 nm纳米级组织,主要由-αA l与-αA l非晶组织构成.纳米级组织的存在有助于复合材料性能的提高,而非晶结构的存在表明非晶增强体在搅拌摩擦加工过程中并未完全晶化.