静止轴肩对FSW温度与应力影响的数值模拟

目的研究外部辅助静止轴肩对搅拌摩擦焊接过程温度场以及应力场的影响。方法建立有限模型并采用热机耦合的方法分析常规与静止轴肩辅助工艺下7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程,得出不同工艺下的焊接温度与应力分布状态。对比常规与静止轴肩工艺下的温度与应力结果,得出静止轴肩对焊接过程中温度与应力的影响规律。结果焊缝横截面的高温区域均呈现出上宽下窄的碗型分布。相比于常规工艺,静止轴肩辅助工艺的焊缝区域温度具有上升速度较慢、下降速度较快的特点,且温度峰值低了55.7℃。静止轴肩具有随焊碾压的作用,在焊接过程中为焊缝区域提供一个额外的压应力,抵消焊接过程中产生的拉应力,焊后残余应力降低了17.4%。结论静止轴肩辅助工艺对焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的降低均具有明显效果。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来，对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展，但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向（温度场、流场和组织性能）的研究现状。     

焊接残余应力数值模拟的研究与发展

分析了用有限元法计算焊接残余应力的基本理论,其中包括温度场和应力场的数值模拟,介绍了焊接残余应力数值模拟方法的近期研究成果,并探讨了焊接残余应力数值模拟技术的发展趋势.     

纯铝板搅拌摩擦焊温度场数值模拟

建立了搅拌摩擦焊热源模型,利用有限元分析软件ABAQUS模拟了搅拌摩擦焊的温度场,研究了焊接速度、搅拌头轴肩尺寸和垫板材质对搅拌摩擦焊接过程中试板的温度场的影响。结果表明：随着焊接速度的提高,焊件上各点的峰值温度降低,经历高温区的时间减少;轴肩摩擦热是热输入的主要来源,随着搅拌头轴肩尺寸的增加,焊缝中心高温区同一等温线上宽下窄的分布特征越来越明显;垫板材质明显影响焊件底部的温度和分布;适当的焊接参数、搅拌头尺寸及散热条件对获得较好的焊缝质量极为重要。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来,对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展,但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起.简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向(温度场、流场和组织性能)的研究现状.     

喷丸处理对2219铝合金搅拌摩擦焊焊接残余应力的影响

对2219铝合金板进行了搅拌摩擦焊(FSW)和喷丸处理,采用X射线衍射仪(XRD)测量了搅拌摩擦焊和喷丸产生的残余应力,分析了残余应力的分布特征,研究了弹丸直径、弹丸材料、喷射距离等参数对搅拌摩擦焊接残余应力分布的影响。结果表明：焊接后,焊缝附近存在较大的残余拉应力,焊缝中心线±20 mm范围内的平均应力高达100.9 MPa,而远离焊缝的母材区域接近零应力状态;喷丸后,试样残余应力分布发生显著变化,表层残余应力表现为压应力,并且该压应力数值随着深度的增加先增大后减小,最后保持为拉应力;增大弹丸直径可提高最大残余压应力值和残余压应力层深度,但当弹丸直径继续增大至1.2 mm时,最大残余压应力值不再继续增大;选用合适的弹丸材料可获得理想的残余压应力分布情况;随着喷射距离的增大,最大残余压应力值和残余压应力层深度先增大后减小。     

双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析

目的 研究铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场规律。方法 以2024铝合金为研究对象,借助FLUENT软件,综合考虑了温度和应变速率对铝合金粘度的影响,采用修正的本构模型,分析了典型双轴肩搅拌摩擦焊接条件下接头温度和速度特征。结果 搅拌头边缘,应变速率较大,接近1000 s-1;温度场呈现出对称的哑铃状分布,最高温度为751 K,达到2024铝合金熔点的83%;前进侧温度大于后退侧温度,前进侧温度为640 K左右,后退侧为600 K左右;双轴肩摩擦焊材料流动速度大于常规焊,前进侧速度大于后退侧速度,前进侧轴肩作用区域大于后退侧;前进侧轴肩作用区域延伸至板材中间,造成带状不连续缺陷。结论 CFD软件Fluent可以较为准确地分析双轴肩搅拌摩擦焊的温度场和流场,可为搅拌工具的优化提供依据。     

高转速FSW工艺特征及焊缝组织性能演变规律研究

目的研究不同转速的焊缝性能变化对组织的影响,以期为高转速搅拌摩擦焊工艺参数的优化和更大范围的应用提供指导。方法在3000~8000 r/min的高转速范围内对3A21-O态铝合金进行搅拌摩擦焊试验,焊后分析了焊缝成形特征和晶粒形态并测试了接头截面显微硬度。结果当转速由1000~4000 r/min区间升高至5000~8000 r/min区间时,焊核宽度急剧增大了近50%。这是由于焊具产热机制以滑移摩擦为主向以粘着摩擦为主转变,导致上述焊核宽度增大的行为。随着转速的增大,焊缝温度呈现出常规搅拌摩擦焊工艺中鲜见的先增大而后趋于稳定的变化趋势;温度随转速的这一演变特征导致焊缝焊核区的亚结构数量比例以及显微硬度都随转速呈现出与此相近的演变规律。结论在高转速搅拌摩擦焊中,转速提高能提高焊缝性能,且增强的焊缝性能能够在较宽的高转速区间内保持相对稳定的状态。     

焊前装配精度对 5083 铝合金 FSW 工艺的影响

搅拌摩擦焊属于精密的加工技术,对焊前装配精度要求比较高,装配精度的高低会直接影响焊缝性能的优劣。基于这一背景,研究了装配过程中对接间隙和板厚差对铝合金搅拌摩擦焊焊缝表面成形、内部成形以及力学性能的影响。研究表明:FSW工艺对对接间隙存在1.1 mm的容限,在0~1.1 mm的对接间隙内,焊接接头与无缺陷接头的力学性能比较接近,当对接间隙高于这个值时,接头性能就会由于缺陷的出现而显著降低;FSW工艺对板材板厚差也存在一定的容限,当板厚差低于容限,所得接头的力学性能差距不大,当板厚差高于容限,焊接质量就会显著下降。     

搅拌摩擦焊残余应力研究现状及展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术,目前国内外的研究主要集中在工艺、组织、力学性能等方面,而有关搅拌摩擦焊缝内部残余应力的研究相对较少。由于检测设备的限制,国内主要采用有损检测方法,无损检测方法却很少。详细综述了国内有关搅拌摩擦焊件内部残余应力测试的钻孔法、云纹干涉法,以及国内外无损检测方法中的X射线衍射法、中子衍射法和高能同步辐射法的研究概况,讨论了各种检测方法的优缺点,对未来搅拌摩擦焊残余应力的研究作了展望。     

On the Residual Stress Field in the Aluminium Alloy FSW Joints

Abstract:  In this study, we evaluated the residual stress field which arose because of a new welding process named 'friction stir welding'. We analysed aluminium alloy butt-welded joints. Both similar and dissimilar joints were considered in 2024-T3 and 6082-T6 aluminium alloys of 0.8 and 3 mm thick. For each joint, the longitudinal and transversal residual stress distributions were obtained in a direction perpendicular to the weld cord. In the thicker dissimilar joints, the longitudinal residual stress distribution present is very similar to the distribution present in traditional welded joints. It presents, in fact, a tensile region near the weld cord, which is balanced by compressive regions away from weld line. On the contrary, other joints present a low compressive stress at the weld toe and a tensile stress state elsewhere. Moreover, the effect of the shoulder geometry on the residual stress field was evaluated on 1.5-mm-thick joints.     

铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接残余应力及变形分析

目的对民机用铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接残余应力及变形进行研究。方法采用热-力耦合数值模拟方法,分析民机用铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接过程,分别模拟了采用3种焊接顺序进行蒙皮-长桁焊接时,壁板温度场分布规律及焊后残余应力及变形情况。结果铝合金壁板搅拌摩擦焊接后,沿焊缝方向残余应力为拉应力,由此导致长桁及与其连接的蒙皮产生向上的挠曲变形,垂直焊缝方向,焊缝两侧的壁板向上翘曲。结论对于3种焊接顺序,采用"先两侧、后中心"由外向里的焊接顺序,得到的壁板残余变形最小。     

转速对 7075-T651 铝合金搅拌摩擦焊接件内部残余应力分布的影响

目的掌握铝合金搅拌摩擦焊接板内部残余应力的分布,为控制焊接残余应力、改进焊接工艺和提高焊接件质量。方法以13.6 mm厚的7075-T651铝合金为研究对象,用短波长X射线衍射技术,对在不同搅拌头转速下搅拌摩擦焊接板内部的残余应力进行了无损测试,并对焊接接头在板厚中心层上的微观组织和显微硬度进行了研究。结果在垂直于焊缝截面上的显微硬度均呈"W"型分布,焊核区的显微硬度高于其两侧的热机械影响区和热影响区,但低于母材区的硬度;随着转速的增大,接头硬度的最小值减小,低硬度区的范围越大。横向残余应力绝对值整体小于焊接方向;焊核区为正应力,热机械影响区残余应力减小且变化梯度最大;残余应力的极大值位于热影响区和热机械影响区的交界处;残余应力极大值与硬度最小值的位置重合。结论通过残余应力的无损检测分析,不仅可以直接获得加工件内部应力分布,还可以间接获得加工件内部的加工缺陷情况,为改进加工工艺、提高成形精度提供依据。     

搅拌摩擦焊焊缝塑性流动规律的数值模拟

使用FLUENT流体工程仿真软件对搅拌摩擦焊缝金属的塑性流动进行了数值模拟;初步得出了搅拌摩擦焊焊缝塑性流体流动规律.实验结果表明:随着距轴肩和搅拌针距离的增大,速度场开始减弱,焊缝金属由顶面向底面、由搅拌区向旋转区的流动也随之减弱.     

对接试板焊接残余应力实测与数值模拟

使用压痕法对两副对接试板进行了表面焊接残余应力测试,并通过焊接有限元仿真获得了对接试板焊接残余应力分布规律,对比分析了表面残余应力实测和数值模拟结果。分析结果表明,焊接残余应力数值仿真结果和压痕法实测结果趋势一致,数值相差不大,残余拉应力峰值实测为599 MPa,仿真结果为597 MPa,表明数值模拟方法可预测焊接残余应力;焊缝及热影响区最大纵向残余应力属于拉应力,而最大横向残余应力为压应力,横向残余应力峰值低于纵向残余应力峰值;等效应力(Mises应力)峰值792 MPa,高于试板材料在常温下的初始屈服强度,表明该材料具有明显的加工硬化现象。     

Influence of a non-rotating shoulder on heat generation,microstructure and mechanical properties of dissimilar AA2024/AA7050 FSW joints

Friction stir welding (FSW) and stationary shoulder friction stir welding (SSFSW) were carried out for the butt joining of dissimilar AA2024-T3 and AA7050-T7651 aluminium alloys with thicknesses of 2 mm. A comparison between the two processes was performed by varying the welding speed while keeping the rotational speed constant. Through the analysis of the force and torque produced during welding and a simple analytical model, it was possible to show that in SSFSW there is more effective coupling with the tool and the heat produced is more efficiently distributed. This process decreases both the welding area and the diffusion at the interface of the two alloys compared with FSW. The minimum microhardness occurred at the advancing side (AS) at the interface between the thermo-mechanically affected zone (TMAZ) and the stir zone (SZ) in both processes, although the decrease was more gradual in SSFSW. This interface is also where all specimens failed for both welding technologies. An increase in tensile strength was measured in SSFSW compared with standard FSW. Furthermore, it was possible to establish the mechanical performance of the material in the fracture zone using digital image correlation.     

水电站合拢焊缝残余应力的数值模拟

采用有限元方法，通过计算机对水电站合拢焊缝残余应力进行了数值模拟，并将其与实测结果进行了比较，两者基本上一致，证明该方法是一种经济而有效的焊接残余应力预测方法，可为制订焊接工艺时控制残余应力提供参考。