搅拌摩擦焊接过程的试验测量及分析

通过设计一系列搅拌摩擦焊接试验,详细测量和分析焊接温度场分布、搅拌头机械载荷、残余应力和残余变形.试验发现,搅拌摩擦焊的温度测量结果的准确性取决于采样频率和热电偶的定位方法;搅拌头的机械载荷主要表现为下压力和扭矩,它们在准稳态焊接的条件下会保持稳定,但取值随焊接参数的变化而发生相应变化;焊接残余应力的主要成分是纵向应力,焊缝区域内呈现较高水平的拉应力,分布呈不对称的双峰特征;薄板的焊接变形具有马鞍形和反马鞍形两种形态,且变形程度受到薄板尺寸、旋转频率和焊接速度的影响.     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布

采用小孔法对3 mm厚2024-T4铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行研究.为了衡量钻孔引入应变对结果的影响,测量了退火2024铝合金板钻孔产生的应变,将其作为附加应变对焊接试件上测得的应变结果进行修正.结果表明,在试验条件下得到的焊接接头的残余应力以纵向应力为主,横向应力相对很小;纵向高应力区集中在轴肩作用区域,呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧,在轴肩作用区域之外应力值迅速降低,在距焊缝中心较远的区域转变为压应力;纵向残余应力峰值为164.5 MPa.分析认为,机械搅拌和焊接温度场的叠加作用造成焊缝两侧纵向残余应力的不对称分布.     

搅拌头机械载荷在搅拌摩擦焊接中的作用的数值分析

利用数值模拟技术分析搅拌头机械载荷在焊接过程中的作用,通过对比只考虑热载荷,考虑热载荷和搅拌头的下压力,综合考虑热载荷、搅拌头下压力和工作扭矩三种条件下的应力,应变和变形,结果发现,搅拌头下压力使焊后残余应力值大幅下降;搅拌头的工作扭矩是焊后残余应力、应变不对称分布的重要影响因素;并且搅拌头机械载荷使得薄板焊后残余变形的模式发生了完全相反的变化,由不考虑搅拌头载荷时的马鞍状变成了反马鞍状.     

搅拌摩擦焊接过程的有限元模拟

对摩擦搅拌焊接工艺进行数值仿真，建立了搅拌摩擦焊接的二维数值计算模型，通过数值手段进行焊接参数研究。并研究了焊接工艺过程中焊件材料的流动情况以及在焊接过程中材料的应力和应变情况，且与已有结果进行比较。证实了所建立模型的正确性与可靠性。     

高熔点材料的搅拌摩擦焊接技术

通过焊具设计、接头微观组织与性能、焊接温度场和残余应力、热源辅助的搅拌摩擦焊(FSW)几个方面,全面介绍了高熔点材料搅拌摩擦焊技术的研究现状.结果表明,合适的搅拌头材料为钨铼(W-Re)合金和多晶立方氮化硼(PCBN);采用合适的焊具设计和工艺参数,可以得到具有良好微观组织、高强度的FSW接头;在模拟搅拌摩擦焊温度场和接头残余应力时,应依据焊接过程实际进一步完善物理模型;引入辅助热源有利于高熔点材料焊缝成形并提高焊具使用寿命.     

摩擦搅拌焊接过程残余应力的中子衍射法测量分析

利用中子衍射法测量了2024-T4铝合金板摩擦搅拌焊接头残余应力分布,得到了接头内部不同位置处的残余应力,研究了焊接速度对残余应力的影响。结果表明,纵向残余应力总体水平比横向残余应力高,是接头内的主要残余应力;当搅拌头转速相同时,提高焊接速度,纵向残余应力增大;横向残余应力除了在匙孔附近较大外,在其余位置处的残余应力都围绕0轴在拉应力与压应力之间波动,整体残余应力水平相对纵向残余应力小很多。     

铝合金搅拌摩擦焊接数值模拟技术的研究进展

数值模拟技术是研究铝合金材料搅拌摩擦焊接成形的重要新兴手段,被应用于研究搅拌摩擦焊的温度场、流场及残余应力分布等。从热-力模型建立与模拟分析等方面详细论述了搅拌摩擦焊数值模拟技术的最新国内外研究进展,并指出了其目前存在的问题及发展方向。     

薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制

搅拌摩擦焊(FSW)焊接残余应力变形表现出与传统熔焊不同的规律,文中研究了薄壁铝合金搅拌摩擦焊残余应力分布规律和焊接变形控制方法,结果表明,纵向残余应力峰值并非出现于焊缝中心,热影响区和热机影响区是残余应力相对较大的区域.基于动态低应力无变形焊接方法,设计开发了一套热沉系统,进行了动态低应力无变形FSW试验.研究表明,动态低应力无变形焊接技术可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力和变形,接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊接头残余应力分布类似,但应力峰值降低50%以上.     

搅拌摩擦焊接头残余应力的试验

搅拌摩擦焊是 90年代出现的一种新型焊接技术 ,特别适用于熔化焊接性差的铝合金等材料。搅拌摩擦焊接头的纵向残余应力分布具有高应力梯度的特点 ,传统的应变片钻孔法不能满足测量要求。提出了云纹干涉钻孔法测量非均匀分布残余应力的计算公式和试验方法。该方法由云纹干涉法测量钻孔释放的位移条纹 ,通过确定孔边待测区域内三个测量点的条纹值 ,可直接得到该区域内的残余应力。利用该方法测量了铝合金薄板搅拌摩擦焊接头纵向残余应力沿深度和横向的分布 ,其分布规律表现为在搅拌带内为拉应力 ,搅拌带外残余应力的值迅速下降 ,并变为压应力以保持平衡。     

搅拌摩擦在超塑性材料焊接及成形方面的应用

大量的研究结果表明搅拌摩擦焊接是保证超塑性材料焊接后仍能保持高强度和高塑性的有效焊接方法。尤其是在高应变速度、低温和较低流动应力情况，采用搅拌摩擦成形（Friction Stir Process:FSP）技术来生产超塑性材料是相对简单且有效的方法。对搅拌摩擦在超塑性材料焊接和成形方面的进展做了简要的总结，包括材料、工艺参数及其影响因素等方面。     

Effect of friction stir welding tool design on welding thermal efficiency

ABSTRACT

Enhancing the heat transfer to the material being welded, instead of the tool, will improve the welding thermal efficiency. Friction stir welding of 5?mm thick 6061-T6 aluminium alloy plates was carried out with the newly produced tools. It was found that the thermal efficiency increased by 4.2% using a tool with all the new design features (i.e. hollow, fluted and thermally insulated) compared to the conventional tool for aluminium welding. To assess the benefits of the new tool design on steel FSW, a finite element numerical simulation study was undertaken. In this case, the simulation results yielded a welding thermal efficiency increase of 10–15% using a thermally coated tool, thereby offering potential productivity gains.     

搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)于1991年开发的专利技术。文中对搅拌摩擦焊工艺进行简单介绍并对研究现状做了比较详尽的总结，涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况及“洋葱”圆环的形成机理、适用母材、接头微观组织、力学性能、焊接工具、复合焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域，并展望FWS的发展前景。     

Effects of the friction stir welding process variants on residual stress

A high-strength aerospace aluminium alloy, 25?mm thick plate, has been friction stir welded using four different process variants. The process variants used were stationary shoulder single pass, conventional shoulder single pass, stationary shoulder dual pass and conventional shoulder dual pass. The goal of the reported work was to investigate effects of different process variants on residual stress. Defect-free welds were produced by all process variants. Through thickness average, longitudinal, residual stress in both as-welded and post-weld heat-treated conditions is reported.     

搅拌摩擦焊接三维流动模型

建立了搅拌摩擦焊焊接过程中塑性软化层的流动行为物理模型,该模型根据不同部位的流动特点将软化层的流动分成三部分,轴肩端面附近的软化层流动、搅拌针上部的软化层流动和搅拌针端部附近的软化层流动行为。轴肩端面附近的软化材料首先流入搅拌针行进过程中于搅拌针后部形成的空腔内,剩余软化材料围绕着轴肩侧面缓缓地由前进侧流动到搅拌针的后部,并于轴肩后部侧表面上形成了焊缝表面弧形纹的弧峰;搅拌针上部附近的软化层以剪切的方式从搅拌针前部流动到搅拌针后部;搅拌针端部附近的软化层以挤压的方式从搅拌针的前部流动到搅拌针的后部。     

搅拌摩擦焊接偏心挤压流动模型

提出了一种偏心挤压流动模型,该模型认为搅拌头对软化材料的偏心挤压作用是形成接头的主要因素.基于该模型,设计并进行了偏心搅拌摩擦焊接试验.结果表明,搅拌摩擦焊接过程中,接头是由搅拌头偏心挤压材料形成的;搅拌头的偏心量越大,形成的接头核心区也将越大;在搅拌针附近的金属流动将使焊接接头形成在行进方向的层状结构;在接头表面将形成弧形纹,形成的弧形纹不是沿板材对接面对称的,而是偏向后退侧的,弧纹在后退侧形成的弧纹夹角比前进侧形成的弧纹夹角大;行进方向的层状结构和接头表面的弧形纹有对应关系.     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。     

Thermal models for bobbin tool friction stir welding

This study presents three thermal 3D models for bobbin tool Friction stir welding (FSW) implemented in Comsol and Matlab. The models use thermal pseudo-mechanical (TPM) heat sources and include tool rotation, an analytic shear layer model and ambient heat sinks like the machine and surrounding air. A new transient moving geometry approach has been implemented. It includes the full tool motion along the weld line, while the other two models use fixed geometry with and without moving heat source.The computational effort is small for all three models. The steady state model can be solved in approximately 5 min on a state of the art workstation. Experiments on the FlexiStir experimental welding unit have been carried out to validate the models’ outputs. The predictions of all models are in excellent agreement with each other and the experiment.