工艺参数对机器人搅拌摩擦焊轴向力和前进抗力的影响EI北大核心CSCD

针对6061-T6铝合金机器人搅拌摩擦焊(RFSW)展开研究,首先在库卡机器人的末端和搅拌摩擦焊电主轴之间安装六维力传感器,搭建六维力传感器数据采集系统。其次采用不同的工艺参数对5 mm 6061-T6铝合金进行焊接,在焊接过程中实时监测搅拌头受到的轴向力和前进抗力,焊后对焊缝横截面进行观察与分析,对焊缝横截面进行拉伸测试和硬度测量,分析轴向力和前进抗力对焊缝微观组织及力学性能的影响。结果表明:搅拌头转速在800~3400 r/min之间,搅拌头转速对焊缝力学性能影响较小;焊接速度在60~360 mm/min之间,焊缝力学性能良好。焊接过程中搅拌针下压阶段轴向力最大,达到约5000 N,焊接阶段稳定时,轴向力约为3600 N,焊接阶段前进抗力最大,达到约−550 N。在焊接过程中,轴向力/前进抗力的比值为−6.5左右时焊缝性能良好。     

6061-T6铝合金与镀锌钢轻载搅拌摩擦焊搭接工艺研究

基于4种不同针长的搅拌头,采用超高转速搅拌摩擦焊工艺实现了6061-T6铝合金和镀锌钢板的搭接连接.结果表明:采用无针搅拌头时轴向力最大,仅为1.1 kN,远低于常规转速搅拌摩擦焊时产生的轴向力,随着针长的增加,需要的轴向力越来越低.当使用无针搅拌头时,在小下压量参数下得到了成形性能较好的焊接接头,而使用针长为0.3 ...     

强制冷却搅拌摩擦焊接工艺

搅拌摩擦焊接在工业生产中应用的主要问题之一,是焊接硬化状态材料时接头强度系数较低.简要分析了焊接热对接头强度的影响,提出了在搅拌摩擦焊接过程中进行强制冷却的工艺方法.对比了强制冷却对紫铜搅拌摩擦焊接头表面状况、硬度分布和接头性能的影响,建立了强制冷却搅拌摩擦焊接过程中焊接区温度的近似表达式.结果表明,在紫铜搅拌焊接过程中进行强制冷却,可以降低焊接过程中焊缝及热力影响区变形金属的温度,减小接头软化的程度和范围,提高搅拌摩擦焊接接头的性能.采用转速1 500 r/min、移动速度0.3 mm/s的强制冷却的工艺方法,得到的紫铜搅拌摩擦焊接头抗拉强度达269 MPa.     

低碳钢的搅拌摩擦焊研究

利用钼基和钨基合金搅拌头以0.42～1.68 mm/s的焊接速度在6.3 mm厚的AISI 1018热轧钢板上得到了无缺陷的搅拌摩擦焊焊缝.在焊接过程中,测得搅拌头的轴向栽荷约为18.7kN,扭矩约为55 N·m.利用热电偶和红外照相系统测得搅拌头与工件接触面的温度接近1000℃.通过测量搅拌头焊前、焊后的尺寸发现,焊接过程中搅拌头尺寸因磨损和变形而发生了改变,在搅拌头插入工件阶段其尺寸变化最大.利用光学显微镜和扫描电镜观察焊缝组织,发现焊缝呈几个截然不同的微观组织区域.根据测量的温度和其微观组织可推测搅拌区的最高温度超过了1 100℃,并且可能超过1 200℃.在室温下测试了焊接接头的抗拉强度,拉伸试验中发现试样断在母材上,试样的拉伸强度和屈服强度与母材相当.研究结果表明钢的搅拌摩擦焊接头有良好的力学性能.搅拌摩擦焊可应用于相变淬硬钢、低合金高强钢和不锈钢.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟

根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075-T7351铝合金板材为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究不同转速、焊接速度对温度场及残余应力场的影响规律.结果表明,焊接过程峰值温度在500℃左右,接头最高温度出现在搅拌头后部大约5 mm处;接头残余应力以纵向残余应力为主,在垂直焊缝方向上呈M形分布,最大值约为150 MPa;当搅拌头转速一定时,随着焊接速度的增大,峰值温度减小,峰值纵向残余应力增大;当焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大,且转速越大,纵向残余应力分布越均匀.     

搅拌摩擦焊接参数对5052铝合金焊接接头性能的影响

以5052铝合金为对象,研究搅拌摩擦焊接参数对其焊接接头性能的影响。结果表明,当搅拌头转速不断提高时,焊缝前进一定的距离内,主轴的转动次数变多,从而热输入量增多,便于焊缝的形成,但是输入量太大时,就会造成接头表面的黏度降低,导致焊缝表面出现大量微小颗粒。当搅拌头转速为800~1600r/min,焊接速度为80~560 mm/min,可以获得力学性能优良的焊接接头。搅拌头转速至800 r/min后逐渐趋于稳定,接头的抗拉强度约为197 MPa。     

搅拌头轴肩形状对6061铝合金FSW过程中轴向力的影响

为了机器人FSW工程化应用,研究搅拌头轴肩形状对轴向力的影响.采用平面与凹面两种轴肩形状的搅拌头,对6061-T6铝合金板材进行搅拌摩擦焊,测量、记录和分析焊接过程中的轴向力,建立轴肩受力模型,综合分析轴向力的分布及变化规律.结果表明,平面轴肩搅拌头焊接所得焊缝形貌优于凹面轴肩搅拌头;平稳焊接阶段轴向力分布曲线呈锯齿状...     

铝-铜异种材料对接搅拌摩擦焊温度场数值模拟

根据铝-铜异种材料对接搅拌头偏置搅拌摩擦焊接特点,利用ANSYS软件,模拟焊接过程中的瞬态变化温度场以及焊缝区域各点的热循环曲线. 通过对比分析了移动焊接稳定阶段焊缝横向、纵向及厚度方向各点的最高温度变化;对比不同焊接参数的变化对焊接温度变化的影响,确定主要影响因素为搅拌头转速. 通过试验采集特征点热循环曲线与模拟比较的结果吻合度良好,验证了热源模型与散热模型的准确性. 温度场模拟结果表明,异种材料偏置搅拌摩擦焊过程中温度最高值出现在焊缝中心偏铝合金侧位置.     

铝/镁搅拌摩擦焊异质接头热-力场仿真研究

铝合金和镁合金在多材料结构中的混合应用可有效实现轻量化效果,以搅拌摩擦焊为代表的新型固相焊接技术在铝/镁异种合金连接中的应用是焊接领域的研究热点。文中基于扭矩热源模型,利用Abaqus软件分析了搅拌头转速对6061铝合金/AZ31镁合金搅拌摩擦焊搭接接头热-力场的影响。结果表明:受搅拌头产热和热传导散热的共同作用,接头表面和横截面温度场分别呈椭圆状和碗状,焊缝前进侧温度高于后退侧。接头残余应力主要由纵向应力和横向应力构成,轴肩边缘同时受热应力和机械应力的作用而具有应力峰值。此外,接头峰值温度和残余应力值均随搅拌头转速的提高表现出不同程度的增大。相关研究结果可为铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺参数的设计与优化提供理论指导。     

TC4钛合金搅拌摩擦焊连接组织形貌研究

使用搅拌摩擦焊技术成功地实现了TC4(Ti-6Al-4V)钛合金的有效连接,并对焊接接头组织进行了研究.结合TC4钛合金搅拌摩擦焊的特点,分析了TC4钛合金搅拌摩擦焊接头焊合区的组织形貌及特征.结果表明:TC4钛合金搅拌摩擦焊接头焊合区组织为细密的等轴晶组织,焊接过程中焊缝最大温度并未超过相变温度,且经历了很大的塑性变形.焊缝与母材过渡区域存在大量α/β界面相及界面产物,α/β界面相及界面产物会对接头力学性能造成不良影响,应进行焊后热处理予以消除.     

铁素体不锈钢搅拌摩擦焊工艺及缺陷形成机理

采用钨铼合金搅拌工具对T4003铁素体不锈钢进行搅拌摩擦焊接工艺试验,研究搅拌摩擦焊缝成形、接头组织特征及缺陷形成机理.结果表明,不同旋转速度下随焊接速度增加,轴向压力呈单调增加趋势;当转速为150,250 r/min时,可获得无缺陷致密焊缝;当转速为350 r/min时,靠近前进侧的焊缝区出现孔洞缺陷,随着焊接速度和轴向压力不断增加,焊接缺陷有减少趋势.焊接接头焊核区发生了相变和明显淬硬现象,组织为细小等轴铁素体和低碳马氏体,焊缝具有明显不均匀硬度分布.提出了一种焊缝热塑性金属平衡流动模型分析其缺陷形成机理.     

1561铝合金搅拌摩擦焊接过程压力特征及接头组织性能分析

采用恒压力控制方式对4 mm厚1561新型高镁铝合金板材进行了搅拌摩擦焊接试验，并对焊接过程中搅拌头压力特征、接头微观组织以及力学性能进行了研究. 结果表明，焊接下扎阶段下压力呈先上升后下降再上升的趋势. 稳定焊接阶段，由于材料力学性能的周期性变化导致下压力呈近似正弦周期性变化. 固定焊接速度为200 mm/min，当转速低于800 r/min或高于1 800 r/min时，焊缝产生孔洞缺陷. 当转速超过1 000 r/min时，搅拌区产生"S"线. 接头抗拉强度在低转速时主要受接头金属强度影响，高转速时主要受"S"线分布特征影响. 随搅拌头转速的增加，接头抗拉强度先上升后下降.     

高密度聚丙烯板半自动化机器人搅拌摩擦焊接参数优化

采用搅拌摩擦焊可进行热塑性材料的连接,通过搅拌头和工件间摩擦产生的焦耳热得以实现。相对于搅拌摩擦焊接的热塑性塑料,传统工具会在所焊接试样的背面产生一道焊缝,该焊缝会在根部形成缺陷,从而降低整个试件的抗拉强度。选用的高密度聚乙烯板具有高透明度,能够实时分析其在焊接过程中产生的形态变化。设置焊接参数为:探头自身旋转速度800~1 200 r/min,横向行进速度40~200 mm/min,轴向力1~5 k N。此外,还分别选用高度为5 mm的方形、柱形及具有一定角度的探头对试样进行焊接,最终通过检验焊缝处抗拉强度和观察微观结构来评估焊缝质量。     

616装甲钢复合热源搅拌摩擦焊工艺

采用氮化硅陶瓷搅拌头外加TIG电弧和背部加热垫板复合的方式对2 mm厚616装甲钢进行焊接试验. 分析了搅拌头转速、焊接速度、TIG电弧的预热电流、背部加热垫板的预热温度等在内的各项焊接参数对焊缝成形的影响,对比了不同参数下焊缝的成形状况,得到了预热参数与搅拌摩擦焊接工艺参数的匹配关系. 结果表明,与传统的搅拌摩擦焊焊缝相比,复合热源焊接的焊缝成形质量得到明显的提高. 在搅拌头转速为1 000～1 200 r/min,焊接速度为35～40 mm/min,预热电流为30～40 A,背部垫板预热温度200 ℃的焊接工艺参数下,能得到成形良好的焊接接头.     

铝合金搅拌摩擦焊过程热力演变的三维数值模拟

对搅拌摩擦焊过程中搅拌头速度变化进行分析,建立了考虑搅拌摩擦焊过程中焊缝产热的热源模型.对2024铝合金搅拌摩擦焊温度场和应力场进行了三维有限元模拟,表明焊缝两侧温度和应力分布的不对称现象不明显,主要由于焊接速度远小于搅拌头转速所致,但随着焊接速度加快,这种不对称现象逐渐加强.焊接过程中焊缝中心温度低于搅拌头边缘温度,焊接前方和两侧均为压应力,后方为拉应力;焊接结束后与搅拌头接触区的横向和纵向残余应力为较大拉应力,远离焊缝残余应力较小;沿厚度方向上,横向和纵向残余应力均逐渐降低.有限元计算结果与短波长X射线应力测试结果进行对比,结果表明,二者趋势基本吻合.     

高强铝合金可变转速回填式搅拌摩擦点焊温度场及接头组织性能调控

针对7B04-T74铝合金,采用可变转速回填式搅拌摩擦点焊(variable rotation speed-refill friction stir spot welding, V-RFSSW)新方法开展了数值仿真及试验研究. 结果表明,V-RFSSW温度场围绕搅拌头轴线呈圆形对称分布,焊点高温区域集中在搅拌套空腔内部. 与扎入阶段转速相同的常规回填式搅拌摩擦点焊(refill friction stir spot welding, RFSSW)相比,V-RFSSW新方法既可在扎入阶段使材料充分塑化,以保证焊点成形,同时,通过降低回填阶段搅拌头转速降低焊接峰值温度及高温停留时间,抑制组分液化的发生,避免了共晶相的生成. V-RFSSW与常规RFSSW接头显微硬度均呈“W”形分布,且扎入阶段转速相同的情况下V-RFSSW接头搅拌区平均硬度更高. 在拉剪载荷下两种接头均以“纽扣”形式发生断裂,其中V-RFSSW接头拉剪失效载荷为8835 N,高于RFSSW接头的8162 N.     

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.     

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术. 以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律. 结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.     

搅拌头转速对7B04铝合金搅拌摩擦焊焊缝成形和组织性能的影响

采用搅拌摩擦焊对7B04铝合金进行焊接,研究了搅拌头旋转速度对焊缝成形和微观组织、接头抗拉强度的影响规律.结果表明,当焊接速度为95 mm/min,搅拌头转速较低时焊缝表面均比较光滑,转速较高时焊缝表面均较为粗糙、存在较多的颗粒,当转速为750和950r/min时能获得良好的焊缝成形.转速为750r/min时焊接接头的强度较高、达到母材抗拉强度的97.4％,当转速高于750r/min时,其强度降低,当转速为950r/min时焊缝根部有明显的原始对接界面迁移形成的黑线,导致其接头强度只有母材的51％.     

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.