搅拌摩擦焊过程中搅拌头温度场分布特征

试验测定了搅拌头温度分布曲线,分析了搅拌头温度场的分布特征,对比研究了不同材质搅拌头温度分布的特点.结果表明,摩擦焊初始阶段,搅拌区域金属的软化致使摩擦针与试板之间的摩擦产热量降低,在搅拌头轴肩与试板接触之前,搅拌头温度出现滞涨,并出现一定程度的回落;稳定焊接阶段,摩擦热传递至搅拌头的热量与通过其散失的热量处于动平衡状态,其温度波动较小;高速旋转搅拌头的表面与周围空气进行强烈的热交换,搅拌头轴线上的温度高于外缘的温度;采用比热容小、热导率高材质制作的搅拌头,焊接过程中其温度变化快,整体温度高.     

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明：相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。     

搅拌摩擦焊接中参数变化对温度场分布的影响

文章建立了搅拌摩擦焊接过程的三维有限元热分析模型,讨论了旋转速度、搅拌头半径、轴肩半径、搅拌针锥角以及螺纹角等焊接参数对工件温度场的影响。计算结果表明,在焊接过程中,工件的最高温度低于熔点,为固相连接。在焊接工艺参数许可的范围内,旋转速度和搅拌针半径的增加,会使搅拌摩擦焊接过程中的最高温度值增加,而锥角和螺纹角增加,会使最高温度值随之减小,轴肩半径的改变对工件温度场的影响相对较小。     

搅拌摩擦焊接的三维欧拉模型

建立基于固体力学的搅拌摩擦焊接三维欧拉模型,并与文献的试验结果和ALE模型计算结果进行对比,验证了模型的正确性。基于此模型,进一步研究搅拌头轴肩及搅拌针等部位对总扭矩的贡献,结果表明,搅拌头轴肩对总扭矩贡献最大,搅拌头针部底面对总扭矩贡献最小,且总扭矩随搅拌头转速的增加而减小。搅拌头针部与轴肩的热输入比在不同搅拌头转速下维持在0.42附近,保证了无轴肩搅拌摩擦焊接过程的顺利进行。     

搅拌摩擦焊接的三维欧拉模型

建立基于固体力学的搅拌摩擦焊接三维欧拉模型,并与文献的试验结果和ALE模型计算结果进行对比,验证了模型的正确性。基于此模型,进一步研究搅拌头轴肩及搅拌针等部位对总扭矩的贡献,结果表明,搅拌头轴肩对总扭矩贡献最大,搅拌头针部底面对总扭矩贡献最小,且总扭矩随搅拌头转速的增加而减小。搅拌头针部与轴肩的热输入比在不同搅拌头转速下维持在0.42附近,保证了无轴肩搅拌摩擦焊接过程的顺利进行。     

纯铅搅拌摩擦焊接轴肩温度变化规律研究

在使用空心主轴和空心搅拌工具的搅拌摩擦焊接物理模拟装置上进行了纯铅搅拌摩擦焊接,并且利用红外热成像仪记录轴肩的实时温度演变过程。研究表明在搅拌摩擦焊接过程中轴肩温度的变化具有周期性。在轴肩与工件接触的搅拌阶段,轴肩一端的温度始终高于轴肩另一端,即搅拌摩擦焊接过程中轴肩可分为高温端和低温端;轴肩上的峰值温度始终处于高温端并随搅拌工具的旋转而旋转,并且峰值温度随着搅拌头的旋转在每个周期内呈现出由低到高再降低的波峰式波动。轴肩温度周期性现象的出现是由于轴肩高温端周期性的搬运变形金属造成的。     

搅拌头形状对铝合金搅拌摩擦点焊流场的影响

采用商用CFD软件包中的FLUENT软件对2A14铝合金搅拌摩擦点焊过程中材料的流动情况进行了三维数值摸拟.为分析搅拌头轴肩底面轮廓对材料流动的影响,分别建立了平面轴肩和凹面轴肩.当采用凹面轴肩时,材料流动状况更明显.为分析搅拌针的形状对点焊稳态过程流场的影响,建立了圆柱形、三角形和方形三种不同形状的搅拌针模型.与圆柱形搅拌针相比,三角形和方形搅拌针引起的材料流动的范围更大.本文在计算过程中,没有考虑热耗散.     

2219铝合金厚板搅拌摩擦焊搅拌头结构参数优化

为探究搅拌头几何形貌对2219铝合金厚板搅拌摩擦焊核心区温度场的影响，基于ABAQUS/CEL建立了18 mm厚2219铝合金FSW三维过程仿真模型，应用有限元分析法对焊接过程进行仿真研究，得到了焊接核心区测温点实时温度循环曲线。利用自主研发的热电偶测温系统对焊接温度场相应测温点温度进行检测，经过对比可知,不同转速试验和仿真数据曲线变化趋势基本相同，验证了所建立的FSW过程仿真模型的有效性。探究了搅拌头结构参数对FSW过程核心温度场的影响规律，针对搅拌头的轴肩尺寸、搅拌针锥角、轴肩凹角、螺纹升角等结构尺寸设计了4因素3水平正交试验。结果表明，轴肩直径对核心区温差的影响最为显著，当搅拌头的轴肩尺寸为36 mm、搅拌针锥角为6°、轴肩凹角为2.5°、螺纹升角为11°时，搅拌头结构尺寸较为合理，核心区温差值较小。 创新点： 探究了搅拌头几何形貌对搅拌摩擦焊核心区温度场的影响,实现了搅拌头的结构参数优化。     

搅拌摩擦焊具及工艺参数

用于搅拌摩擦焊接的特制焊接工具称为搅拌摩擦焊具，简称焊具(Welding Tool)，又称搅拌头。搅拌摩擦焊具由针部(Pin)和肩部(Shoulder)组成，二者又称搅拌针和轴肩。焊具几何尺寸就是指针部和肩部的形状和尺寸。     

三维搅拌摩擦焊接传热与塑性流动分析模型

为研究搅拌摩擦焊接过程热流相互作用下的温度场、速度场和粘度场,将材料看成是层流、粘性、非牛顿流体,基于流体力学理论,建立了搅拌摩擦焊接过程的三维热流分析模型.给出了焊接过程热输入与搅拌头的旋转频率、工件运动速度、搅拌头尺寸及材料发生屈服时的剪应力的数学关系式,并将其作为热边界条件加入到了模型中.结果表明,搅拌头前部温度低于后部,温度梯度前部大于后部;受搅拌头周围材料流动的影响,接近搅拌针的区域,后退侧温度高于前进侧;材料上部速度、粘度受轴肩影响较大,下部主要受搅拌针影响;计算得到的热力影响区与试验结果有较好的对应关系.     

Structure-Property Correlation of AA2014 Friction Stir Welds: Role of Tool Pin Profile

The influence of rapid plastic deformation in the generation of welding heat during friction stir welding (FSW), supplementing the frictional heat generation by the tool shoulder, forms the thrust of the present investigation. Several researchers have highlighted the role of tool shoulder in the generation of frictional heat and suggested that the tool-material interface friction as the sole mechanism for heating. The configuration of tool pin profile is seldom studied for its contribution to welding heat through rapid plastic deformation at high strain rates (10³/s), especially while welding thick plates. An attempt has been made to understand the dependence of deformation heat generation with different tool pin profiles in welding 5 mm thick AA2014-T6 aluminum alloy, maintaining the same swept volume during the tool rotation. An attempt has also been made to correlate the influence of process response variables such as force and torque acting on the tool pin. To quantify the physical influence of tool pin profile, temperature measurements were made in the region adjacent to the rotating pin, close to nugget in the thermo-mechanically affected zone (TMAZ). It has been observed that the temperature rises at a relatively rapid rate in the case of hexagonal tool pin compared to the welds produced employing other tool pin profiles. It is observed that during FSW, extensive deformation experienced at the nugget zone and the evolved microstructure strongly influences the mechanical properties of the joint. The present study is also aimed at understanding the influence of tool profile on the microstructural changes and the associated mechanical properties. Transverse tensile samples failed at the nugget/TMAZ boundary due to localized softening. Hexagonal tool pin profile welds have shown higher tensile strength, low TMAZ width, and high nugget hardness compared to other tool pin profile welds.     

铝合金搅拌摩擦点焊接头塑化金属流动形态分析

在搅拌摩擦点焊过程中,塑化金属的流动形态是影响焊点成形及接头力学性能的主要因素。通过采用镶嵌标识材料的方法,研究了搅拌摩擦点焊过程中接头塑化金属的流动形态。结果表明,在焊点横截面上,匙孔两侧塑化金属发生塑性变形的宽度基本相同,从焊点表面到底面,塑性变形区宽度逐渐减小。在焊点的上部,塑化金属主要受轴肩的作用,在轴肩摩擦力和材料之间的剪切力作用下沿搅拌针旋转的方向运动,随着距焊点表面距离的增大,塑化金属沿搅拌针旋转方向的运动趋势逐渐减小。搅拌针周围的塑化金属在搅拌针螺纹向下的压力作用下,以螺旋状向焊点底部运动,运动到焊点底部后受底板的阻碍和未塑化金属的挤压作用从搅拌针四周向焊点上部运动。     

轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响

采用完全热力耦合模型分析轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程的影响,发现较低的轴向载荷会导致搅拌摩擦焊接无法完成.搅拌摩擦焊接构件上表面材料由于受到搅拌针和肩台旋转的作用,导致上表面材料变形程度较下表面高,材料沿焊缝中心线的变形并非严格对称,前进侧材料的变形程度较后退侧高,搅拌头轴向载荷的增加会减弱这种不对称性.搅拌摩擦焊接过程中的最高温度随轴向载荷的增加而增加,且搅拌头轴向载荷的增加会促使搅拌区附近的温度分布趋于均匀.     

Effect of viscosity on material behavior in friction stir welding process

1 Introduction Friction stir welding(FSW) is a new solid-state joining process invented by TWI, in which joining of material is achieved without melting. The usual flaws such as slag-inclusions and porosity can be minimized or even can be eliminated in fr…     

三维搅拌摩擦焊接过程数值模拟

将搅拌摩擦焊接过程中材料的流动看作是层流、粘性、非牛顿流体绕过旋转的圆柱体,并基于流体力学理论,建立了三维搅拌摩擦焊缝金属塑性流动的数值分析模型.计算结果表明,在焊缝上部表面附近,由于搅拌头轴肩的影响,材料流动比较混乱,发生多次绕流现象;焊缝下部材料流动规律性较明显:只有很少一部分靠近搅拌头探针的材料在焊接过程中受到探针的作用而发生变形和流动,在大多数的模拟条件下,探针直径范围内的材料仅仅在回撤边一侧沿旋转方向绕过探针.焊缝中部具有底部和上部材料的流动特点,是探针和轴肩共同影响的结果.采用"标记嵌入技术"对焊缝金属流动进行可视化研究,试验结果与模拟结果进行了验证,模拟结果能很好地预测塑性金属流动趋势.     

A moving boundary formulation for recursive plastic heat release during friction stir welding

In this paper, a model for the growth of third region during friction stir welding is presented. The domain of interest is the heat and deformation affected zone under the tool shoulder. The model integrates a moving boundary framework for the growth of a stirring induced plastic flow region within the domain and formulates the heat generated by recursive plastic work as an enthalpy jump condition across the moving interface. From global energy balance considerations, the approach provides the means to estimate the time required to develop the stirring induced plastic flow region as a function of tool geometry (shoulder radius and pin radius).     

搅拌工具尺寸和工艺参数对塑料搅拌摩擦焊焊缝质量的影响

用不同尺寸的搅拌工具对聚氯乙烯(PVC)板材进行了搅拌摩擦对接焊工艺试验.试验证明,在搅拌工具肩部直径为30 mm,搅拌头直径为10 mm,搅拌头旋转速度为1 660 r/min,焊接速度为25 mm/min的情况下,可以得到焊缝饱满、成形美观的焊接接头.提高搅拌头的旋转速度可以成比例地提高焊接温度;焊接速度的影响较复杂,增大焊接速度一方面会降低焊接热输入,一方面又会间接地增大搅拌头的进给阻力,从而增大摩擦发热功率,提高焊接温度;搅拌工具肩部直径直接影响肩部与被焊材料表面的摩擦发热功率,增大肩部直径可以提高焊接温度,还有利于阻止焊缝材料的飞溅和外溢;而搅拌头直径的影响较复杂,增大它既可以提高搅拌头侧面与被焊材料之间的相对运动线速度,从而提高焊接温度,又会增加被焊材料的吸热功率和传热面积,从而降低焊接温度.     

铝合金盒体的搅拌摩擦焊封装

对航空电子元件盒的搅拌摩擦连接封装技术展开应用研究。使用改造后的4轴搅拌摩擦焊接机床成功实现了大倾角下的盒盖、盒身的矩形轨迹封装焊接。各试验组焊缝均表面形貌良好,无宏观缺陷,且满足现有气密性标准。各组盒体的高度最大变形量范围为1.47~2.53 mm;随着焊接速度的增加,盒体的最大高度变形量呈单调减小规律;随着搅拌头旋转速度的升高,最大高度变形量呈现先减小,后增大的规律。焊接热输入较小的两组盒体耐压极限较低,其内部气压达到0.5~0.6 MPa时,封装轨迹的第一拐角后出现了撕裂状开口。开口截面位置位于搅拌针后退侧侧面。在焊接热输入,转角焊缝轨迹,搅拌针形状等因素影响下,焊接封装接头上会存在微小的孔洞、隧道等缺陷。这些缺陷在应力加压情况下的扩张、发展是泄漏的成因。