铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余变形的数值分析

大尺寸6056铝合金薄板经过搅拌摩擦焊接实验后出现了严重的面外变形,虽然变形程度小于熔化焊结果,但已经影响到被焊薄板的装配和使用.为详细研究和预测铝合金薄板在搅拌摩擦焊后的残余变形,以焊接实验条件为基础,建立了搅拌摩擦焊接三维有限元热力耦合分析模型.模型中涉及了利用搅拌头工作转矩计算热输入量、工件和卡具之间的接触热传导、随温度变化的材料模型,以及综合考虑搅拌头机械作用等工作.利用该模型可以得到不对称的纵向残余应力结果,残余变形的趋势在整块板上都与实验结果相同,而且变形量和实验测量值之间的误差在20%以内.     

铝合金薄板焊接及其变形控制

本文对铝合金薄板(1.5～3mm)的焊接接头性能(机械性能和腐蚀性能)、焊接工艺、焊接变形及其控制进行了大量试验研究工作。为控制焊接变形所采取的工艺措施即采用线能量小的焊接方法、刚性拘束下进行焊接、编制合理的施焊工艺及程序,经气垫船模拟结构分段建造证明是合理的、行之有效的。     

考虑铝合金接头软化的焊接变形及残余应力预测方法

针对铝合金焊接接头的软化问题,通过采用合理材料模型对该问题进行了描述,并在此基础上开发了相应的热-弹-塑性有限元计算方法来预测铝合金薄板的焊接变形和残余应力.以TIG重熔铝合金薄板为例,模拟分析了焊接过程中的温度场、残余应力和焊接变形.同时,采用试验方法测量了焊件的挠曲变形.结果表明,考虑软化现象的有限元数值计算结果与试验测量结果更吻合,验证了提出材料模型和所开发的有限元计算方法的有效性;对于接头软化较为明显的铝合金材料,进行焊接残余应力的数值模拟时有必要建立反映接头软化的材料模型.     

平板对接焊接变形的数值模拟

本文借助于ANSYS有限元分析软件,采用半椭球热源模型与生死单元法对厚度为8mm的低碳钢平板对接熔化极气体保护焊焊接过程进行数值模拟,分别模拟了单面双道焊和双面焊两种不同工艺条件下焊接的温度场、应力场及焊接变形并进行比较。结果表明：单面双道焊的焊缝截面积较大且沿板厚不对称,施焊后焊件所产生的横向收缩量及翘曲变形较大。通过实际施焊及检测验证了模拟结果的准确性。     

2014-T651铝合金板材生产工艺研究

研究了2014铝合金淬火温度、转移时间、间隔时间、时效温度、时效保温时间等因素对组织、性能的影响，确定了2014－T651厚板的工艺参数：淬火温度为502℃，转移时间小于30s，拉伸量1．5％－3．0％，固溶到时效间隔时间24－48h，时产制度为160℃16h。     

夹具约束对铝合金薄板焊接变形的影响

采用热弹塑性有限元技术对不同夹具拘束情况下铝合金薄板焊接过程进行了数值模拟,并利用脉冲氩弧焊接工艺、不同的夹具布置形式,研究了厚度为5 mm铝合金薄板构件的挠曲变形.结果表明,冷却过程中夹具对焊缝附近的塑性变形区的收缩等效于反向拉伸,可减小纵向残余塑性应变,因此利用夹具的拘束作用可以控制和减小铝合金薄板焊接残余应力和变形,但夹具对焊缝及附近区域的拘束程度不同,控制焊接变形的效果也不同.采用合理的夹具布置可以将薄板的纵向残余挠度控制在1 mm左右.     

薄板铝合金搅拌摩擦焊接头变形情况分析

采用数值模拟的方法对薄板铝合金搅拌摩擦焊接头的变形特征进行分析,并与实际接头的变形情况进行对比.结果表明,薄板铝合金搅拌摩擦焊的接头的变形成非对称形式,大变形区域主要出现在焊缝的前进侧,这种非对称变形主要是由于搅拌头对工件直接施加的机械力造成的.焊缝两侧固定点上的变形特征显示,后退侧在焊接过程中会出现剧烈波动,表明后退侧的稳定性低于前进侧.接头应力分布特征显示高应力区出现在焊缝的结束位置,x-y方向的剪切应力是影响终接头应力分布的主要原因.     

2219-T651铝合金激光摆动焊接接头微观组织和力学性能

采用激光摆动焊接技术对2219-T651铝合金进行了不同摆动幅度和频率下的焊接试验,研究了摆动工艺参数、焊缝气孔率和宏观成形、接头组织和性能之间的内在联系.结果表明,与无摆动焊接相比,激光摆动焊接可以降低焊缝气孔率,尤其随着摆动幅度的增加,当摆动幅度为2.5 mm时,气孔率降至1.66%.与母材相比,热影响区和熔化区发生软化.靠近焊缝的热影响区,由于沉淀强化作用的变弱,硬度逐渐降低,直至出现“平台”.而由α(Al)基体以及枝晶间和晶界α(Al)+θ(Al₂Cu)共晶相组成的熔化区,因铜的偏析导致固溶强化效果被削弱,表现出最低的硬度.此外,部分摆动参数下焊缝晶粒尺寸有所细化,这引起了其硬度的略微升高.当摆动频率为150 Hz和摆动幅度为2.5 mm时,接头的抗拉强度高达318 MPa,约为母材抗拉强度的69.4%,接头抗拉强度与断口孔洞面积占比呈线性负相关关系,焊缝气孔率是影响焊态接头抗拉强度的主要因素.     

预拉伸条件下铝合金焊接变形的数值模拟

应用热弹塑性应力应变关系理论,在考虑材料性能参数随温度变化的条件下,运用大型ANSYS软件通过有限元法模拟分析了预拉伸应力对5A05铝合金板材焊接变形的影响.结果表明,采用预拉伸焊接法可以有效控制铝合金焊件焊缝及近缝区的纵向挠曲变形.随着预拉伸应力的增大,其控制变形的效果愈明显,当预拉伸应力为σp=90%σ0.2时,焊后纵向挠曲变形最大降幅达70.45%.模拟分析结果与实验测试结果基本吻合.     

摩擦搅拌焊6061-T6铝合金焊接接头的组织与性能

采用搅拌摩擦焊对6mm厚度的6061-T6铝合金进行单道平板对接焊,研究了焊接接头的力学性能和组织.结果表明,转速较小时,焊接接头会出现明显的搅拌摩擦焊接特有的“螺旋体”断口,其接头性能不高;随着转速的提高,接头性能得到改善.X射线衍射分析结果表明,焊缝组织中由于搅拌温度而引起部分强化相的重溶.透射电镜的研究结果表明,焊缝中的主要增强相依然为β”.     

铝合金薄壁圆锥体结构的焊接变形

利用实物模型试驻，自动脉冲TIG焊接工艺分别研究了铝台金薄壁圆锥体结构的焊接变形及其变化规律研究结果表明，焊接后结构的变形主要表现为沿母线的纵向挠曲变形和圆周方向椭圆度变化，采用纯氨气保护，两层两道焊接时，结构的最大挠度和椭圆度变化均小于采用氩气加氦气混台保护、一道焊接时的最大挠度值和椭圆度变化。同时采用解析方法对挠曲变形进行了计算，分析了造成两种焊接工艺挠度不同的原因，从而为下一步圆锥体薄壁结构的焊接数值模拟提供验证数据，进而为最终减小和控制结构的焊接变形提供了理论和试验依据。     

动车组铝合金型材地板焊接变形的数值模拟

采用非线性有限元软件MSC.Marc对动车组地板大型复杂铝合金挤压中空型材结构的焊接过程进行了数值模拟.为了提高计算效率和精度,对结构的有限元模型进行了合理的疏密过度的网格划分,实测了材料随温度变化的热物理-力学性能参数,并采用双椭球体热源模型模拟MIG焊接热源.通过对某型号动车组地板结构焊接后挠曲变形的实际检测,结果证明模拟计算结果与检测数据吻合良好.研究结果证实:基于热-机耦合的有限元法并将材料动态高温性能参数的试验测试数据代入模拟计算的方案,能够为动车组铝合金型材地板焊接结构的焊接变形预测提供高效、高精度的技术手段利用本方法可以实现同类复杂结构焊接变形高精度预测.     

温差拉伸控制铝合金薄板的焊接变形

对两种形式的温差拉伸控制铝合金薄板焊接残余变形的效果和规律进行了研究。研究表明,由随焊激冷造成的动态温差拉伸减小焊接变形的效果受夹具自身散热条件的影响较大：不采用整体预热时,难以造成马鞍形温度场,此时减小焊接变形的机理主要是焊接线能量的等效降低;采用整体预热后,能够造成一定程度的温差拉伸,减小焊接变形的效果明显提高。中间冷却两侧加热的静态温差拉伸能够造成显著的马鞍形温度场,充分发挥温差拉伸的作用,     

6082-T651铝合金板十字接头组织及力学性能

采用熔化极惰性气体保护焊进行了15 mm厚6082-T651铝合金板十字接头焊接。研究了焊接工艺参数对十字接头焊缝成形、拉伸性能和显微硬度的影响,并对接头不同区域的元素分布进行了测试分析。结果表明,随送丝速度和焊接电流增加,焊缝余高逐渐减小,熔深和熔宽逐渐增加;焊缝边缘为柱状晶组织,焊缝中心为枝晶和等轴晶混合组织,晶间液化组织从熔合线一直延伸到热影响区内部;Mg,Si,Fe和Mn等合金元素在焊缝中偏聚形成晶间析出相;十字接头抗拉强度最高达到239 MPa,断裂模式为韧性断裂;接头腹板和翼板侧硬度值呈对称分布,热影响区硬度值随焊接热输入增大而减小,并低于焊缝硬度。     

焊接速度对铝合金平板搭接接头温度场的影响

基于SYSWELD数值模拟软件对铝合金平板搭接接头MIG焊进行了数值模拟,研究了焊接速度对铝合金平板搭接接头MIG焊温度场的影响.结果表明:其它焊接参数一定时,随着焊接速度的增大,焊缝熔池尺寸减小,焊接温度场温度梯度逐渐变小,且沿焊接方向温度场分布变得细长;焊接热循环的峰值温度随焊接速度的增大而降低.     

随焊激冷减小铝合金薄板的焊接变形

研究了随焊激冷减小铝合金薄板焊接变形的效果及夹具的散热条件对该效果的影响,研究表明,随焊激冷能够减小铝合金薄板的焊接变形,其效果受夹具自身冷却作用影响很大。随着夹具散热条件的降低,随焊激冷所起的作用增强,但降低焊接变表的效果仍不够明显,适当预热夹具本身可以减小焊接变形,但更重要的是预热使激冷造成了温差拉伸,因此获得了最小的焊接变形。     

焊接参数对6061-T6铝合金薄板的HR-FSW轴向力的影响

采用高转速搅拌摩擦焊接(HR-FSW)方法实现了1mm厚6061-T6铝合金薄板的对接试验,研究了焊接速度对轴向力和力学性能的影响.试验结果表明:焊接速度对轴向力起到决定性的作用,焊接轴向力随着焊接速度的增加而增加;当轴向力处于0.9～1 kN之间(焊接速度为200～300 mm/min)时,焊接接头组织均匀,力学性能...     

A6061-T6铝合金焊接接头腐蚀行为

A6061-T6铝合金材料是轨道车辆制造的主要结构材料。轨道车辆在线路运行时受运行环境的影响,尤其是沿海、地下潮湿环境对车辆结构容易造成较为严重的腐蚀损伤,进而影响到车辆的安全可靠性。以轨道车辆常用的A6061-T6铝合金焊接接头为研究对象,对焊接接头的腐蚀失重、电化学腐蚀性能进行系统性研究。结果表明:腐蚀失重速率先快速增长,在14 d时达到最大,然后随着腐蚀时间的进一步延长,失重逐渐减小,呈现平稳下降趋势。母材和焊缝在质量分数为5%的不同腐蚀溶液中的自腐蚀电位随Cl~-、SO_4~(2-)、NO_3~-顺序依次变正,而自腐蚀电流随Cl~-、SO_4~(2-)、NO_3~-顺序依次变小。SO_4~(2-)对铝合金的腐蚀加速作用弱于Cl~-而强于NO_3~-。     

薄板T型接头双丝MAG焊接残余应力及变形有限元分析

采用ABAQUS模拟并分析6?mm厚T型接头双丝MAG焊的焊接温度场、焊后残余应力、焊接面外变形.约束条件分为两种:方案一,不对底板进行固定,焊接自由变形;方案二,焊接时对底板进行固定,冷却后解除固定.结果显示:在相同的热源下,两种方案的焊接温度场保持一致;方案一的角变形量较大,最大变形量约为1?mm,焊缝热影响区底板变形量约为0.2?mm,最大残余应力位于焊缝中心,约235?MPa;方案二的最大变形处位于焊缝中心,但面积较小,可忽略不计,故最大变形量位于底板焊缝热影响区附近,约0.3?mm,焊缝中心的最大残余应力约为180?MPa.由此可见,在T型接头焊接时,将底板进行固定,冷却后解除释放,可以降低焊接残余应力和焊接面外变形量.     

随焊高速气流场辅助高强铝合金薄板焊接应力演变及控制变形机理

从力学角度出发提出了“随焊高速气流场”柔性控制高强铝合金薄板焊接失稳变形的新方法,研究了该方法控制2A12高强铝合金薄板焊接变形的有效可行性,分析了随焊高速气流载荷对薄板应力演变规律的影响,阐明了其控制焊接残余应力及变形机理.基于有限元法分析了温度场及应力场,确定了气动载荷与热源作用距离这一关键因素,并获得了气体压力的合理有效范围.在自行研制的随焊高速气流场装置上进行试验验证.结果表明,当气动载荷作用距离为20 mm、气动载荷为30 MPa时,焊接失稳变形基本消失,焊缝中截面上的纵向残余拉应力峰值较常规焊下降了77.73%,残余压应力峰值下降了69.23%,板边变形最大挠度仅为0.9 mm,较常规焊的8.5 mm下降了89.41%.试验结果与模拟结果吻合良好,验证了随焊控制模型的正确性.