搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式

采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟,并详细分析了搅拌摩擦焊接过程中的材料流动形式.结果表明,模型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料流动和温度分布情况.通过对搅拌头周围材料流动的研究,分析了搅拌摩擦焊接过程中飞边现象形成的主要原因.研究了搅拌摩擦焊接构件不同厚度上材料的三维流动形式,通过与二维情况的比较证实,二维情况下的材料流动数值模拟结果对应于搅拌摩擦焊接构件靠近下表面部分的材料流动情况.从等效塑性应变的分布也能证实搅拌头轴肩对靠近上表面的材料行为具有明显影响,而对下表面附近材料行为影响较弱,从而说明二维情况对应三维情况靠近下表面的部分.     

我国搅拌摩擦焊技术的研究现状与热点分析

从搅拌摩擦焊材料、工艺、焊接机理、有限元数值模拟、接头耐腐蚀性等方面分析了国内对搅拌摩擦焊研究取得的成果与现状,并预测了未来几年国内搅拌摩擦焊研究的热点和重点.分析认为:铝合金仍是未来几年搅拌摩擦焊的主要研究材料,而镁合金、铜合金、不锈钢、碳钢以及异种金属的搅拌摩擦焊将也将成为研究的热点.焊接工艺、有限元数值模拟以及接...     

搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟

搅拌摩擦焊接过程中的产热、传热与塑性材料流动行为直接决定了焊接接头的组织演变及力学性能。对这些物理现象开展数值模拟研究,对于深入理解搅拌摩擦焊接过程的物理机制和优化焊接工艺具有重要意义。本文综述了搅拌摩擦焊接过程产热、传热与材料流动数值模拟的国内外研究现状,指出了存在的主要问题。介绍了作者课题组近年来针对这些问题所开展的研究工作。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,研发出了黏着系数和摩擦因数的测试-计算法,为提高数值模拟的精度奠定了基础。建立了针对复杂截面形状搅拌针的搅拌摩擦焊接过程数学模型,数值分析了3种典型搅拌头情况下焊接过程中的产热率、温度分布和塑性流动行为。建立了包含下压、停留、焊接及冷却4个阶段的搅拌摩擦焊接全过程的传热-流动耦合模型,模拟了焊接过程各阶段的产热、温度场和塑性材料流动的演变情况。在此基础上,对搅拌摩擦焊接过程数值模拟领域未来的发展趋势进行了展望,提出了下一步的研究重点。     

焊接工艺参数对2024铝合金搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动行为的影响

以轴肩端面为同心圆的带螺纹搅拌头为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立了三维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行了数值模拟,研究焊接工艺参数对模拟结果的影响。结果表明,在搅拌头附近区域材料的塑性流动剧烈,且轴肩附近材料的流动速度高于搅拌针边缘材料的流动速度;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动更剧烈,且高速流动的材料区域范围变大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

基于欧拉模型的搅拌摩擦焊接界面行为及产热数值

通过建立欧拉模型,研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌头-焊接工件接触面材料的流动规律以及热输入,确定了搅拌摩擦焊接中接触面滑移系数与搅拌头转速之间的关系式,发现接触面滑移系数随搅拌头转速的增加而降低。通过与已知试验数据的对比,验证了所建立公式和模型的正确性;进一步发现,塑性变形产热对搅拌摩擦焊接过程中的热贡献超过35%。     

搅拌摩擦焊接技术实现非直线焊缝过程中的材料行为分析

采用基于固体力学的有限元方法建立了搅拌摩擦焊接过程的三维数值模型,研究了搅拌摩擦焊接技术在焊接非直线焊缝时材料的流动行为以及焊接过程中的力学特征。结果显示,搅拌焊接构件后退侧材料的流动较前进侧更为剧烈,且越靠近肩台部分材料的流动速度越大,搅拌头向原焊接构件前进侧移动将导致材料流动速度增加,搅拌头平移方向变化的瞬时会明显改变搅拌头周围材料流动速度的分布规律。搅拌探针-焊接构件接触面上的接触压力分布是比较均匀的。     

曲面件搭接接头搅拌摩擦焊温度场的数值模拟及参数优化

采用点点之间连接的方法实现了曲面结构件的搅拌摩擦焊焊接热源模型的加载,研究了飞机中蒙皮与桁条结构的搅拌摩擦焊搭接接头温度场的动态变化过程.结果表明,随着焊接速度的减小、旋转速度的增加以及搅拌头压力的提高,搅拌摩擦焊过程中的温度峰值升高,焊缝区域的高温区域扩大.从提高材料流动性以及避免出现熔焊的角度,提出了搅拌摩擦焊焊接工艺参数的优化方案.     

焊前准备、焊后处理及辅助设备

20095022 预热时间对搅拌摩擦焊接的影响／张昭…／／机械工程学报．-2009,45（4）：13～18，24 基于固体力学的有限元方法建立搅拌摩擦焊接过程的热力耦合分析模型，并以此为基础，研究预热时间对搅拌摩擦焊接过程的影响，与试验测量的温度和试验观测到的材料流动现象的对比，证明了该模型的有效性和正确性。     

接触模型对搅拌摩擦焊接数值模拟的影响

在完全热力耦合搅拌摩擦焊接数值模型中采用两种接触模型--经典的Coulomb接触模型和修正的Coulomb接触模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程,以分析不同接触模型对搅拌摩擦焊接过程数值模拟的影响.结果表明,对于低转速的搅拌摩擦焊接,两种模型的预测结果区别不大;但是对于高转速,由于界面摩擦剪切应力没有上限,采用经典的Coulomb接触模型无法模拟,需采用修正的Coulomb接触模型.搅拌头转速的增加不会改变搅拌摩擦焊接技术固态连接的本质.当采用高转速时,焊接构件上、下表面的变形趋于均匀.有利于得到均匀的显微结构.     

2024铝合金搅拌摩擦焊初始温度场数值模拟与分析

搅拌摩擦焊下压过程中温度场的建立对工件的焊接质量有重要的影响。在搅拌摩擦焊接过程中,搅拌工具与焊接工件的摩擦接触关系及焊接工艺参数的选取,决定了焊接过程中工件的温度场分布。基于修正的库仑摩擦定律,建立了火箭燃料贮箱所用3 mm厚2024铝合金材料搅拌摩擦焊接下压过程的热量输入模型,通过有限元分析得到了整个过程中的温度场分布。分析结果表明,该模型的下压阶段温度场计算精度较高。模型的计算结果对指导铝合金焊接初始下压过程中转速、下压速度及顶锻力的大小等焊接工艺参数的选取具有重要意义。     

Impact of Friction Stir Welding (FSW) Process Parameters on Thermal Modeling and Heat Generation of Aluminum Alloy Joints

Friction stir welding(FSW)is a solid-state joining process,where joint properties largely depend on the amount of heat generation during the welding process.The objective of this paper was to develop a numerical thermomechanical model for FSW of aluminum–copper alloy AA2219 and analyze heat generation during the welding process.The thermomechanical model has been developed utilizing ANSYS~ APDL.The model was verified by comparing simulated temperature profile of three different weld schedules(i.e.,different combinations of weld parameters in real weld situations)from simulation with experimental results.Furthermore,the verified model was used to analyze the effect of different weld parameters on heat generation.Among all the weld parameters,the effect of rotational speed on heat generation is the highest.     

Review on underwater friction stir welding: A variant of friction stir welding with great potential of improving joint properties

Friction stir welding (FSW) is a solid-state welding process which is capable of joining materials which are relatively difficult to be welded by fusion welding process. Further, this process is highly energy-efficient and environmental-friendly as compared to the fusion welding. Despite several advantages of FSW over fusion welding, the thermal cycles involved in FSW cause softening in joints generally in heat-treatable aluminum alloys (AAs) due to the dissolution or coarsening of the strengthening precipitates leading to decrease in mechanical properties. Underwater friction stir welding (UFSW) can be a process of choice to overcome these limitations. This process is suitable for alloys that are sensitive to heating during the welding and is widely used for heat-treatable AAs. The purpose of this article is to provide comprehensive literature review on current status and development of UFSW and its importance in comparison to FSW with an aim to discuss and summarize different aspects of UFSW. Specific attention is given to basic principle including material flow, temperature generation, process parameters, microstructure and mechanical properties. From the review, it is concluded that UFSW is an improved method compared with FSW for improving joint strength. Academicians, researchers and practitioners would be benefitted from this article as it compiles significantly important knowledge pertaining to UFSW.     

Comparison of RSM with ANN in predicting tensile strength of friction stir welded AA7039 aluminium alloy joints

Friction stir welding(FSW) is an innovative solid state joining technique and has been employed in aerospace, rail, automotive and marine industries for joining aluminium, magnesium, zinc and copper alloys. The FSW process parameters such as tool rotational speed, welding speed, axial force, play a major role in deciding the weld quality. Two methods, response surface methodology and artificial neural network were used to predict the tensile strength of friction stir welded AA7039 aluminium alloy. The experiments were conducted based on three factors, three-level, and central composite face centered design with full replications technique, and mathematical model was developed. Sensitivity analysis was carried out to identify critical parameters. The results obtained through response surface methodology were compared with those through artificial neural networks.     

紫铜的搅拌摩擦焊接头性能测试与组织分析

对T2紫铜的搅拌摩擦焊技术进行了实验研究,对其基本工艺、接头组织和性能等进行了初步分析.实验结果表明,用搅拌摩擦焊方法焊接6mm厚的T2紫铜板,当焊接规范合适时,可得到成形美观、内部无缺陷、几乎不变形的平板对接接头;搅拌摩擦焊接头的抗拉强度可达母材的90%;搅拌摩擦焊接头的电阻率与母材基本相同.     

Optimizing friction stir welding parameters to maximize tensile strength of AA2219 aluminum alloy joints

AA2219 aluminium alloy (Al-Cu-Mn alloy) has gathered wide acceptance in the fabrication of lightweight structures requiring a high strength-to-weight ratio and good corrosion resistance. In contrast to the fusion welding processes that are routinely used for joining structural aluminium alloys, the friction stir welding (FSW) process is an emerging solid state joining process in which the material that is being welded does not melt and recast. This process uses a non-consumable tool to generate frictional heat in the abutting surfaces. The welding parameters such as tool rotational speed, welding speed, axial force etc., and the tool pin profile play a major role in determining the joint strength. An attempt has been made here to develop a mathematical model to predict the tensile strength of friction stir welded AA2219 aluminium alloy by incorporating FSW process parameters. A central composite design with four factors and five levels has been used to minimize the number of experimental conditions. The response surface method (RSM) has been used to develop the model. The developed mathematical model has been optimized using the Hooke and Jeeves search technique to maximize the tensile strength of the friction stir welded AA2219 aluminium alloy joints.     

搅拌摩擦焊在中国的发展

作为新世纪连接技术的新星,搅拌摩擦焊的发明、发展和工业化对世界工业制造领域产生了巨大的推动力.介绍了搅拌摩擦焊技术及其在中国的发展状况.     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌针锥角和预热对温度分布的影响

搅拌摩擦焊(FSW)被广泛应用在工业上,用来连接有色金属,尤其是铝合金。采用基于有限元分析的三维模型研究FSW过程中铜C11000的热特性。模型包含了搅拌头的机械作用和待焊接材料的热性能,以材料和搅拌针以及轴肩之间的摩擦作为热源。结果表明,温度的预测结果与实验结果具有良好的一致性。此外,数值模拟方法可以简单地应用于测量搅拌头下方工件的温度。研究了预热温度和搅拌针锥角对温度分布的影响。搅拌针锥角的增加可提高焊缝周围的温度,但预热不会影响焊缝周围的温度分布。     

AA5083铝合金的搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热输入的影响(英文)

采用系统实验设计方法研究AA5083铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热量输入的影响,得到了用来设计搅拌摩擦焊搅拌头和焊机的经验模型。当采用计算机来控制搅拌摩擦焊接时,这些模型可用来确定AA5083这类铝合金的摩擦焊接工艺参数、编制焊接程序及工艺参数控制。结果表明:影响轴向力和热量输入的重要参数是搅拌头转速、焊接速度和搅拌头轴肩直径,而影响纵向应力的重要参数是焊接速度和探头直径。     

搅拌摩擦焊接过程流体数值模拟概述

为了对搅拌摩擦焊接机理有进一步的理解，需要对FSW过程中塑性材料的流体流动进行深入研究。搅拌摩擦焊接过程的数值模拟是研究FSW过程中塑性材料流体流动的一种重要手段。介绍了FSW过程数值模拟的一些研究进展，对资料中建立的模型和模拟结果进行了简要的描述。     

薄板7075铝合金搅拌摩擦焊三维有限元数值模拟

薄板7075高强度铝合金在经过搅拌摩擦焊接后,存在不同程度的焊后残余变形,对精度要求较高的航空结构件的制造和装配带来了困难.本文通过建立4mm薄板7075铝合金搅拌摩擦焊热源模型,利用ANSYS对搅拌摩擦焊接过程中的温度场和应力应变场进行热机耦合数值分析,解释了薄板铝合金搅拌摩擦焊的温度场和表面残余应力的分布.采用古典摩擦理论建立合适的热源模型,将搅拌头的机械载荷和压板的压力考虑到模型当中.分析结果表明,此数值模拟对研究薄板高强度铝合金的搅拌摩擦焊具有一定的借鉴意义.