超高转速搅拌摩擦焊铝合金板的焊接变形和残余应力

采用10 000r·min~(-1)以上的超高转速搅拌摩擦焊设备,对100mm×80mm×1mm的2014铝合金板进行了对接焊。利用水雾冷却的方法控制铝合金板的变形,得到了表面成型良好且变形较小的焊件,并对焊件的焊接变形和残余应力进行了测定和分析。结果表明:该2014铝合金板的焊缝无减薄,横向最小挠度为0.25mm,纵向最小挠度为0.3mm;焊缝处的残余应力很低,纵向残余应力峰值区间为-43~-83 MPa。     

铝合金T型接头激光+GMAW复合焊残余应力数值分析

目的 研究激光+GMAW复合焊中不同激光功率参数对铝合金T型接头残余应力的影响,从而提高焊接性能。方法 分别考虑了热弹塑性理论、传热学以及T型接头几何特性,建立了铝合金T型接头激光+电弧复合焊残余应力的数值分析模型。采用双椭球体热源模型表征电弧热输入与熔滴晗,采用锥体热源模型对激光深熔焊进行描述。基于所建立的T型接头模型,使用ANSYS有限元软件对12 mm厚铝合金激光+ GMAW焊T型接头残余应力进行模拟计算,并研究其分布特征;使用X射线衍射法对T型接头处的残余应力进行测量从而对所建模型的准确性进行验证。同时,对比了不同激光功率下铝合金T型接头对残余应力的影响规律。结果 当激光功率分别为2、3、4、5 kW时,铝合金T型接头路径L3上的纵向残余应力最大值分别为270、263、258、251 MPa,米塞斯-等效应力最大值分别为265、261、257、250 MPa。结论 后焊的焊缝A对焊缝B有明显的热处理作用,使应力明显降低;在T型接头焊缝及近缝区,横向残余应力和厚度方向残余应力峰值均比纵向残余应力峰值小,且随着激光功率的增大,焊缝及近缝区拉应力峰值不断减小。     

T形接头冷丝填充双热源协同焊接数值模拟

为提高T形接头的焊接效率、降低其焊接变形,本文提出了冷丝填充双热源协同焊接的工艺方法,主要利用有限元模拟技术研究了厚度6 mm的5083铝镁合金T形接头双热源协同焊接温度场、应力场及变形特征.模拟结果显示,双热源热输入相同的情况下,T形接头焊接温度场在立板两侧呈对称椭圆形分布,椭圆长轴与焊接方向一致,热源后方区域的温度梯度小于前方,主要是同时受到电弧与凝固焊道热量的叠加作用所致,热量分布范围拓宽;底板x方向的纵向残余应力呈"多峰"状对称分布,近缝区以拉应力为主,应力峰值为111.6 MPa;远缝区以压应力为主,应力值随着远离焊缝而变大,原因是距离热源越远,焊接热应力越小,压应力峰值为73.4 MPa;立板y方向从底部到顶部呈从"拉"到"压"的演变趋势,纵向残余应力先减小后微增,近缝区应力峰值为183 MPa,远缝区应力峰值为33.5 MPa;T形接头的横向收缩变形最大,变形量峰值为1.727 mm,主要与熔池金属冷却凝固时横向剧烈收缩、"拉拽"热影响区和母材有关.     

动态低应力小变形无热裂随焊锤击焊接技术研究

从力学角度出发,首次提出随焊锤击的焊接技术,并结合跨焊缝两侧横向位移的测量及显微组织的研究,分析了随焊锤击防止焊接热裂纹的作用机理．试验结果表明,随焊锤击技术可显著地改善焊缝显微组织及残余应力分布,防止焊接热裂纹的产生,并能够有效地控制LY12CZ铝合金薄板焊接横向及纵向收缩变形．可以认为随焊锤击是一种更合理、更具实用价值的低应力小变形无热裂的焊接技术新方法．     

动态低应力小变形无势裂随焊锤击焊接技术研究

从力学角度出发,首次提出随焊锤击的焊接技术,并结合跨焊缝两侧横向位移的测量及显微组织的研究,分析了随焊锤击防止焊接裂纹的作用机理,试验结果表明,随焊狂击技术可显著地改善焊缝显微组织及残余应力分布,防止焊接热裂纹的产生,并能够有效地控制LY12CZ铝合金薄板焊接横向及纵向收缩变形,可以认为随焊锤击是一种更合理,更具实用价值的低应力小变形无热裂的焊接技术新方法。     

焊接顺序对管状大厚度V形接头焊接残余应力场的影响

在工业级大型结构中,大厚度钢的应用越来越广泛,由于结构的复杂性,组件间不可避免地需要熔化焊连接;对于大厚度结构,通常采用多层多道焊,而多层多道焊的焊接工艺选择不合理或多焊缝间的焊接顺序选择不当时,会造成焊接结构的局部区域残余应力过大或焊接的残余变形过大,影响结构的服役时间.为了得到管状大厚度V形接头焊接最优工艺方案和残余应力分布规律,本研究利用非线性有限元软件Marc从多层焊焊接顺序的角度,对管状大厚度V形接头焊接残余应力场的影响进行了有限元数值分析,并通过实际测试结果进行验证.分析结果表明:在多层焊的过程中,采用对称焊接的方法得到的焊接残余应力最小;对于管状环形焊缝,内侧焊缝在焊接路径上的残余应力值大于外侧焊缝.     

低强匹配对接接头焊接残余应力的数值模拟分析

本文采用数值模拟方法,分析了低强匹配对接接头2种拘束条件、5种屈服强度匹配系数的焊接残余应力。结果表明,低强匹配接头焊根处的三向残余拉应力较小,对静载强度影响不大;焊趾处的三向残余拉应力较大,对疲劳强度和冷裂倾向有不利影响。自由状态的纵向残余应力和两端约束状态的横向残余应力,焊缝金属屈服强度每降低25MPa,其残余应力减少约11MPa。     

Q355钢板对接接头裂纹扩展所致焊接残余应力重分布研究

目的 定量研究裂纹扩展导致的焊接残余应力重分布效应,得到残余应力随裂纹扩展的变化规律。方法 首先采用盲孔法测试了Q355钢板对接接头的初始残余应力;其次利用线切割技术模拟了平行以及垂直于焊缝的裂纹扩展情况,并测试了裂纹扩展导致的残余应力变化量;最后根据测试数据提出了残余应力释放量Δσ与裂纹长度a之间的函数关系式,进一步得到了基于裂纹扩展的应力重分布计算公式。结果 Q355钢板对接焊的焊缝区纵向(沿焊缝方向)存在较大的残余拉应力,拉应力峰值出现在焊趾处,为屈服强度的1.13倍。焊缝区横向存在梯度较大、拉压交替变化的残余应力,压应力峰值出现在焊趾处,大小为52.6 MPa,拉应力峰值出现在距焊缝中心线17 mm处,大小为63.5 MPa。裂纹扩展能显著释放残余拉应力:裂纹沿焊缝中心扩展,横向残余拉应力峰值降低了45.8%;裂纹沿垂直于焊缝方向扩展,焊趾处的拉应力峰值降低了63.3%。结论 裂纹扩展会显著影响焊接构件的残余应力分布,根据实测数据提出的裂纹扩展应力重分布计算公式能够较好地反映残余应力重分布情况。     

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。     

基于Simufact的割草盘控制杆焊接成形质量控制研究

目的保证割草机割草盘控制杆焊后的装配精度和尺寸稳定性。方法采用Simufact Welding软件对割草盘控制杆焊接过程进行模拟仿真。通过建立合适的热源模型,得到焊后变形和焊接应力分布情况。结果椭圆板焊缝处为焊接变形最大的区域,最大总变形量为0.73 mm;焊后最大等效应力为395.59 MPa,且沿焊缝两侧向外扩展,等效应力呈递减趋势。结论通过工装优化方案,实现了焊后残余变形控制,最大变形量由0.73 mm降低到0.41 mm,且未引起焊接残余应力的上升,但焊后残余应力仍处于较高的水平,可通过焊后退火消除残余应力。     

6061-T6 铝合金激光焊接接头腐蚀疲劳裂纹扩展

目的研究6061-T6铝合金激光焊接接头的腐蚀疲劳裂纹扩展特性,并分析裂纹扩展的影响因素。方法利用光纤激光器,焊接尺寸为150 mm×100 mm×4 mm(焊接方向、横向、熔深方向)的6061-T6铝合金,采用SE(B)三点弯曲疲劳裂纹扩展试验并利用连续降K法,分别在空气和人工海水中进行疲劳裂纹扩展试验,通过使用金相显微镜(OE)和扫描电子显微镜(SEM),对金相结构进行观测分析。结果同样工艺参数的焊接接头,在海水中疲劳裂纹门槛值(4.063 016 MPa·m~(0.5))大于空气中的门槛值(3.479 166 MPa·m~(0.5));在疲劳裂纹扩展中速区(da/dN10~(-5) mm/cycle)时,海水焊接接头疲劳裂纹扩展速率大于空气中的,低速区(da/d N10~(-5) mm/cycle)则小于在空气中的。结论成形良好的焊缝、晶粒细小的焊缝组织有助于接头疲劳裂纹扩展性能的提高;中速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏大,主要是由腐蚀条件下焊缝裂纹尖端阳极溶解和交变载荷共同作用导致;低速区,海水中疲劳裂纹扩展速率偏小,主要原因是腐蚀产物堆积于疲劳裂纹扩展尖端,产生较强裂纹闭合效应。     

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.     

Butt-welding Residual Stress of Heat Treatable Aluminum Alloys

This study, taking three types of aluminum alloys 2024-T351, 6061-T6 and 7075-T6 as experimental materials, conducted single V-groove GTAW （gas tungsten arc welding） butt-welding to analyze and compare the magnitude and differences of residual stress in the three aluminum alloys at different single V-groove angles and in restrained or unrestrained conditions. The results show that the larger the grooving angle of butt joint, the higher the residual tensile stress. Too small grooving angle will lead to dramatic differences due to the amount of welding bead filler metal and pre-set joint geometry. Therefore, only an appropriate grooving angle can reduce residual stress. While welding, weldment in restrained condition will lead to a larger residual stress. Also, a residual stress will arise from the restraint position. The ultimate residual stress of weldment is determined by material yield strength at equilibrium temperature. The higher the yield strength at equilibrium temperature, the higher the material residual stress. Because of its larger thermal conductivity, aluminum alloy test specimens have small temperature differential. Therefore, the residual tensile stress of all materials is lower than their yield strength.     

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。     

初始应力对三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的影响

目的研究不同初始应力状态下,三维光学轮廓法测试焊接接头残余应力的变化规律。方法采用MIG焊分别对供货态与去应力退火态试板进行多层多道焊,焊后试板经慢走丝切割,经三维光学测量技术扫描切割面轮廓,将所得轮廓数据经所建立的数据处理平台处理,将其结果作为有限元计算的边界条件,经应力反算得到残余应力分布。最后再进行有限元模拟,计算焊接接头残余应力。结果含初始应力、去应力退火和数值模拟的焊缝中心均为拉应力区,最大拉应力分别为480, 450, 523 MPa,且都位于焊缝根部区域。三者试板两侧为压应力区域,最大压应力分别为380, 280, 157 MPa,三者数值相差较大。结论将含有初始残余应力试板、退火处理试板与数值模拟结果的残余应力分布进行对比,可以发现三者在焊缝中心处的残余应力分布较为一致,但沿着焊缝向两侧的区域内,应力差别逐渐变大。主要原因为焊接热循环温度高于金属再结晶温度时可以消除部分残余应力,而温度循环较低时对应力消除不明显,导致实验结果相差较大。     

铝锂合金电子束焊接数值模拟分析及工艺优化

采用组合热源模型对Al-Li合金电子束焊接温度场分布进行数值模拟分析,通过热-力耦合,模拟计算得到接头区域的残余应力分布.结果表明,Al-Li合金电子束焊接温度场沿焊接方向呈椭圆形分布,电子束热源中心的温度最高,其附近区域的等温线分布密集,随着与热源中心的距离增大,等温线分布逐渐稀疏,焊缝区存在较大的温度梯度,较好地模拟出了电子束焊缝的钉形分布特征.接头的残余应力分布模拟结果显示,残余应力主要集中于焊缝区,由于修饰焊的热作用,焊缝上部具有相对较大的应力值.利用模拟计算得到的结果进行焊接工艺及参数优化,焊接工艺试验表明,试验焊缝形貌与模拟熔池形貌相吻合,进一步验证了模拟计算结果的可靠性.     

铸造TC4钛合金电子束焊残余应力测试

对铸造TC4钛合金进行电子束焊接,使用X射线衍射法对焊后母材、热影响区以及焊缝的表面残余应力分布状况进行测试和分析。结果表明：垂直于焊缝方向的测试点上,焊缝及热影响区在横、纵两个方向上主要存在拉应力;剪切应力数值均在±50MPa范围内,可以认为对焊缝性能没有影响。沿焊缝长度方向的测试点上,无论横向应力还是纵向应力,焊缝起始端的应力值要低于焊缝终止端的应力值。纵向残余应力表现为拉应力,横向残余应力由压应力逐渐向拉应力方向转变。     

Numerical and experiment analysis of residual stress on magnesium alloy and steel butt joint by hybrid laser-TIG welding

Hybrid welding technology has received significant attention in the welding of dissimilar materials recently. While, great welding residual stress and deformation often result by the difference of coefficient of thermal expansion This study describes the thermal elastic–plastic analysis using finite element techniques to analyze the thermo mechanical behavior and evaluate the residual stresses and welding distortion on the AZ31B magnesium alloy and 304L steel butt joint in laser-TIG hybrid welding. A new coupled heat source model was developed which combined by double-elliptic planar distribution, double-ellipsoid body distribution and Rotary–Gauss body distribution model. From the results, it can be concluded that the temperature distribution at the hybrid weld region is exposed to faster rate of heating and cooling in hybrid welding than TIG. Furthermore, compared to the welding stress distribution on the TIG weld, residual stress σ_y is found about 20% higher on hybrid weld joints, and the residual stress on the 304L steel plate is lower than that on the AZ31B magnesium plate.