立式搅拌摩擦焊动静压电主轴的结构设计及有限元分析

对搅拌摩擦焊技术发展进行了简要介绍,分析了搅拌摩擦焊中工艺影响因素,结合目前电主轴的发展趋势——动静压电主轴,在铝合金搅拌摩擦焊电主轴单元关键技术研究的基础上,确定电主轴的工艺参数,设计研发一种新型的立式搅拌摩擦焊动静压电主轴,具有自动调节负荷的功能,并对主轴的结构设计、油腔结构和运行状态进行详细的介绍,并利用Solid Works Simulation对转子轴静态受力进行模态分析,经初步检测符合设计要求。较好地解决了搅拌摩擦焊主轴适用材料窄、滚动轴承寿命短、转轴承载负荷过大和主轴可靠性差等问题。     

一种回抽复合式搅拌摩擦焊动静压电主轴的结构设计

对搅拌摩擦焊技术和动静压电主轴技术进行了简要介绍,结合目前搅拌摩擦焊实际焊接过程中存在的不足及今后的发展趋势,设计研发一种新型的回抽复合式搅拌摩擦焊动静压电主轴,采用动静压液体轴承、联轴器和直线轴承,主轴具有回抽功能,通过分离式搅拌头的使用,较好地解决了搅拌摩擦焊接结束后工件存在的"匙孔"的问题,提高主轴的承载能力、精度,能够长时间持续摩擦搅拌焊接,同时搅拌头更换便捷,经国家检测机构鉴定,达到设计标准。     

回抽式搅拌摩擦焊动静压电主轴的结构设计及分析

对搅拌摩擦焊技术发展和研究方向进行了简要介绍,针对目前搅拌摩擦焊实际焊接过程中存在的缺陷与不足,尤其是焊接结束时存在的"匙孔"问题,结合电主轴的发展趋势——动静压电主轴,设计研发一种新型的回抽式搅拌摩擦焊动静压电主轴,采用液体动静压轴承技术和小孔节流技术等,替代滚动轴承,利用油腔内油压控制转轴回抽,实现了主轴无滚动摩擦,回抽功能自动化,解决了"匙孔"的缺陷。对主轴的整体结构、液压回抽结构和油腔结构等进行了详细介绍,并经初步检测符合设计要求。     

高强铝合金FSW拼焊板变形规律与成形技术

铝合金拼焊成形技术兼具有材料和结构双重轻量化效果,在汽车轻量化发展趋势下,拥有巨大的应用前景。研究铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能,建立搅拌摩擦焊接头的有限元模型,试验结合力学计算研究搅拌摩擦焊接头的塑性变形规律。结果发现:铝合金搅拌摩擦焊接头具有明显的力学性能不均匀性,搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中热影响区最先发生屈服和颈缩;焊后热处理和高温成形可以显著提高拼焊板的成形性和力学性能。2024铝合金搅拌摩擦焊拼焊板的最佳成形温度为450℃,固溶处理后接头未发现晶粒异常长大现象,热冲压时引入的变形与成形后的时效相结合,产生形变时效的强化效果,可获得高强度的汽车拼焊构件。     

先进的搅拌摩擦焊技术

搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所20世纪90年代初发明并拥有专利权的一种固相塑性连接技术。目前,国内外研究较多的是各种铝及铝合金的搅拌摩擦焊。(1)搅拌摩擦焊原理及特点与常规摩擦焊一样,搅拌摩擦焊也是利用摩擦热作为焊接热源。不同之处在于,搅拌摩擦焊的焊接过程是由一个带有探针和轴肩的特殊形式的搅拌头来完成的,如附图所示。先将探针插入被焊接板     

铝合金摩擦焊接技术研究现状及发展趋势

针对铝合金焊接特点及存在的问题,重点介绍了连续驱动摩擦焊、搅拌摩擦焊的技术特点和研究现状,对铝合金摩擦焊接技术的发展趋势进行了展望。     

轨道车辆铝合金地板搅拌摩擦焊残余状态分析

搅拌摩擦焊作为一种先进的固相焊接技术,以其针对铝合金材料焊接效率高、焊后缺陷小、环境污染小等优点被逐渐地广泛应用。但是目前缺乏搅拌摩擦焊焊接中力学过程的研究,也鲜有力学过程对于焊缝残余状态影响的资料,不利于搅拌摩擦焊的推广应用。因此,本文以某型地铁车辆铝合金地板的焊接为研究对象,对搅拌摩擦焊工作原理及焊缝残余状态规律进行了分析,总结了摩擦焊接过程中的力学规律与导致焊缝残余应力不对称分布的原因。     

基于Labview的搅拌摩擦焊焊接力监测系统开发

根据搅拌摩擦部件数字化设计和过程监控需求,设计开发了一套搅拌摩擦焊焊接力监测系统.首先基于Labview开发了焊接力监测软件,然后采用PC机、采集卡和传感器搭建了硬件平台,最后对系统平台进行标定和实验.实验结果表明,该系统可精确测量搅拌头所受焊接力,为焊机主轴及搅拌头的整体检测分析提供有效数据样本,达到优化焊机主轴性能,提高摩擦焊设备效益等效果.此外,该系统具有量程大、精确度高和可移植性强等优点,具有较为广泛的适用性.     

搅拌摩擦焊电主轴动态特性及灵敏度研究

为提高搅拌摩擦焊电主轴的设计水平,获得最佳的搅拌摩擦焊接质量,运用有限元理论和模态频率灵敏度理论对搅拌摩擦焊电主轴进行动态特性分析。将电主轴密度、泊松比、弹性模量、轴承刚度以及结构参数作为设计变量,电主轴模态频率作为响应,通过APDL语言建立搅拌摩擦焊电主轴的参数化有限元模型,利用半分析灵敏度方法,计算响应对各设计变量的灵敏度,并进一步对电主轴的动态特性进行优化。研究结果表明:该电主轴结构设计合理、满足要求。电主轴密度和弹性模量对其模态频率的影响较大,结构参数和轴承刚度对电主轴模态频率的影响取决于焊接质量所需的电主轴转速。通过对电主轴进行优化设计,在提高模态频率并保证焊接质量的前提下,减轻了电主轴质量。     

铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺研究

文中研究了铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺。冷板基底材料为6063 铝合金,盖板材料为3A21 铝合金。设计了窄搭接搅拌头,减小了轴肩宽度和焊接压力,增加了接头焊接时材料的流动性,针对不同焊深窄台阶冷板进行了窄搭接焊接工艺试验。研究表明,通过优化搅拌头形貌尺寸和工艺参数能够实现4-2（焊缝深度–台阶宽度,mm）、6-4 和9-6 的窄搭接搅拌摩擦焊焊接,焊接过程中进行定位预焊能有效避免产生焊缝S 型曲线,前进侧为6063 或3A21 时均能形成良好的焊缝。     

7020T6铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究

采用搅拌摩擦焊方法焊接7020T6铝合金,研究搅拌头旋转速度和焊接速度对焊接表面成形质量、金相组织和焊接接头硬度分布的影响。在此基础上得出用搅拌摩擦方法焊接7020T6铝合金的理想工艺参数。     

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。     

铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性

在焊后热处理过程中,搅拌摩擦焊接头焊核区细小的再结晶晶粒在高温下极不稳定,很容易发生晶粒异常长大降低接头性能。研究2024铝合金和7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头组织热稳定性,结果发现：增大搅拌头转速、降低焊速有利于提高接头组织热稳定性,接头焊核区晶粒尺寸差异越小,第二相粒子尺寸越小,密度越大,接头组织热稳定性越好;降低固溶温度或缩短固溶时间可以降低晶粒异常长大程度,但接头力学性能将发生下降。对于3 mm厚2024铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=20 mm/min的焊接参数下,495℃-30 min固溶处理后接头无明显晶粒异常长大现象。对于1.5 mm厚7075-2024异质铝合金搅拌摩擦焊接头,在ω=2 500 r/min, v=50 mm/min的焊接参数下,450℃-20 min固溶处理后接头晶粒异常长大基本得到控制,接头强度达到母材的90%。研究结果表明优化焊接工艺参数和焊后热处理工艺参数能获得较好的晶粒异常长大抑制效果,为铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能调控提供参考。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展

自搅拌摩擦焊发明至今,国内外开展了大量的有关搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)技术的研究与开发工作,并且已在轻合金结构制造领域得到大量实际应用。此外,基于搅拌摩擦焊原理发展而来的另一项技术--搅拌摩擦加工也得到广泛关注,并且在金属材料组织改性及复合材料制备方面显示了独特的优势。然而,由于受到高温搅拌头材料的限制,对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究相比铝合金要少了很多。本研究对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究进展进行简要概述,总结同质钢铁材料搅拌摩擦焊接、异质钢铁材料搅拌摩擦焊接、钢铁材料搅拌摩擦加工以及高温焊接工具材料等几方面的研究成果,指出其中存在的重要科学及技术问题,并对钢铁材料搅拌摩擦焊接以及搅拌摩擦加工的发展趋势及值得关注的问题进行展望。     

温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响

通过对搅拌摩擦焊过程中铝合金板上各特征点在不同焊接参数的温度变化规律的检测,研究搅拌摩擦焊接参数对焊接过程温度场的影响,搅拌摩擦焊焊接接头的摩擦磨损行为,以及搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能随温度的变化趋势。结果表明:在搅拌头旋转速度一定时,各特征点的温度峰值会随焊接速度的增加而降低,在焊接速度一定时,特征点的温度峰值会随搅拌头旋转速度的增加而升高;搅拌摩擦焊接头磨损表面呈现轻微的疲劳磨损特征,无明显的表层剥落开裂迹象;试样的磨损量与接头区域的焊缝成型有密切关系,而焊缝的成型质量与温度场的分布有密切联系,试验表明温度场梯度越小,磨损量越小。     

搅拌摩擦焊中材料流动行为数值模拟的研究进展

搅拌摩擦焊是一种革命性的焊接技术。相比于熔化焊,搅拌摩擦焊在铝合金、镁合金等材料的焊接方面具有明显的优势。而搅拌摩擦焊过程中材料在熔化温度以下经历剧烈的塑性流动,这与传统焊接过程有着明显不同,因此非常有必要对搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为进行研究。由于试验方法本身在空间与时间上的局限性,数值模拟成为研究搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为的重要方法。分析搅拌摩擦焊过程中的物理过程,从数值方法、热源模型、边界摩擦模型、材料本构模型这四个方面介绍搅拌摩擦焊中材料流动行为的数值模拟的最新研究进展及相关应用。对当前搅拌摩擦焊材料流动模拟中存在的不足进行分析,提出未来研究中应关注的研究方向。     

铝合金搅拌摩擦焊接头腐蚀与防护研究进展

随着搅拌摩擦焊的技术发展和应用扩展,其焊接接头的腐蚀性能和防护手段已成为人们关注的重要问题。本文论述了近年来国内外铝合金搅拌摩擦焊接头的腐蚀行为及其防护策略研究进展,并展望了该技术在电子产品领域的发展前景。     

搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

随着数值模拟技术在搅拌摩擦焊接研究中的应用日益广泛,对模型本身的准确程度要求越来越高,因而针对数值分析模型的研究显得更有意义.通过分析搅拌摩擦焊接热力耦合计算方面的相关资料,结合实际开展的搅拌摩擦焊接试验以及试验过程中对部分物理量的测量和分析,建立更加完善的搅拌摩擦焊接数值模拟模型.对生热过程、材料模型、夹具约束以及搅拌头机械载荷作用都进行细致分析和探讨,在新模型中采用被焊材料的剪切极限作为生热驱动力,考虑被焊材料的力学性能随温度和温度历史发生变化,建立夹具和试板之间的接触关系,并在力学分析模型中将搅拌头机械载荷简化考虑.利用新建立的数值分析模型对铝合金薄板搅拌摩擦焊接过程进行模拟,得到和试验结果吻合较好的温度场、残余应力和变形结果.     

2524-T3铆接接头与搅拌摩擦焊接接头疲劳性能对比研究

通过2524-T3铝合金的搅拌摩擦焊接头疲劳性能对比试验,得到了母材、FSW对接接头、铆钉连接接头的疲劳S-N曲线。试验表明,搅拌摩擦焊的疲劳裂纹大多数起源于焊缝底部;2524-T3材料薄板的疲劳性能略好于厚板的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头疲劳性能要明显好于铆接接头疲劳性能。拟合得到了各种不同厚度,不同应力比下的S-N曲线公式,为搅拌摩擦焊技术应用于飞机结构积累了相关数据。