搅拌摩擦焊中材料流动行为数值模拟的研究进展

搅拌摩擦焊是一种革命性的焊接技术。相比于熔化焊,搅拌摩擦焊在铝合金、镁合金等材料的焊接方面具有明显的优势。而搅拌摩擦焊过程中材料在熔化温度以下经历剧烈的塑性流动,这与传统焊接过程有着明显不同,因此非常有必要对搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为进行研究。由于试验方法本身在空间与时间上的局限性,数值模拟成为研究搅拌摩擦焊过程中的材料流动行为的重要方法。分析搅拌摩擦焊过程中的物理过程,从数值方法、热源模型、边界摩擦模型、材料本构模型这四个方面介绍搅拌摩擦焊中材料流动行为的数值模拟的最新研究进展及相关应用。对当前搅拌摩擦焊材料流动模拟中存在的不足进行分析,提出未来研究中应关注的研究方向。     

材料性能对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用左螺纹圆柱搅拌头对O态和T4态2024铝合金进行搅拌摩擦焊接试验,研究了材料性能对搅拌摩擦焊焊缝成形的影响,并用软性约束分析了材料性能对焊核尺寸的影响。试验结果表明：焊缝形貌受焊核周边金属约束的影响,约束程度与材料力学性能和温度有关。O态2024铝合金对接焊时,软性约束体对塑性金属横向迁移的约束小,焊核面积和焊核宽度较T4态2024铝合金的焊核面积和焊核宽度大。两种热处理状态2024铝合金对接焊时,强度和硬度较高的T4态2024铝合金置于返回边时,在焊缝两侧、前进边的软性约束体对塑性金属的约束较返回边的软性约束体对塑性金属的约束强,焊核向返回边偏移;由于在返回边有更多的塑性金属,使其沿焊缝厚度方向向上的运动趋势增强,因此返回边的焊核高度较前进边的焊核高度高。对T4态2024铝合金进行适当的预热,会增强焊缝金属的塑化程度,使其向焊缝两侧的迁移运动趋势增强,焊核宽度及面积增大。     

基于遗传算法的搅拌摩擦焊的搅拌头优化研究

文中针对搅拌摩擦焊，进行了搅拌头的形状选择，建立了搅拌头优化的数学模型和约束条件，提出了基于遗传算法的搅拌头尺寸多目标优化算法，并进行了忧化实例分析，得到了合理的搅拌头尺寸参数。     

搅拌摩擦焊材料流动的试验表征研究现状

搅拌摩擦焊作为一种较新的固相连接技术,在航空航天、高速列车、汽车、船舶等机械制造领域中具有广阔的应用前景。充分认识搅拌摩擦焊接过程中的塑性材料流动,对于深刻理解焊缝成形机理、优化焊接工艺具有重要的理论指导意义。综述了当前搅拌摩擦焊塑性材料流动的试验表征技术研究现状,重点分析了采用"点"、"线"、"面"和"体"形标记材料来研究塑性材料流动的优缺点。在此基础上,综述了搅拌摩擦焊缝成形机理的研究现状,探讨了关于材料流动的尚未有效解决的关键科学问题。     

搅拌摩擦焊接过程中材料的三维流动分析

通过有限元方法对搅拌摩擦焊接过程中焊接构件材料的三维流动进行了研究，结果显示，在搅拌摩擦焊接工艺中，材料的等效塑性应变云图与焊接构件显微结构分布图有一定联系。在后退侧搅拌头的后方是材料流动较弱的区域，在后退侧搅拌头的前方则是材料流动最为剧烈的区域，材料越靠近焊接构件的上表面，其流动性越强。搅拌头前方的材料在搅拌头的推动下向上涌起，同时被旋推到搅拌头的后方，在肩台的作用下，这部分材料将会被压向下方以填充由于搅拌头的移动而留下的空间，这个过程周而复始，从而使搅拌摩擦焊接可以顺利进行。     

搅拌头偏置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用不同的搅拌头偏置位置对AZ31B镁合金和6061铝合金进行搅拌摩擦焊对接试验,探究搅拌头偏置位置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。对比了不同搅拌头偏置所获得的焊缝外观成形和断口成分能谱,实验结果表明,搅拌头偏置铝1 mm所获得焊缝表面成形质量要优于搅拌头置中和偏置镁1 mm所得的焊缝,焊接过程中金属间化合物大量连续的生成是造成接头断裂的主要原因。     

一种用于搅拌摩擦焊厚板焊接的新型搅拌头

针对厚板在搅拌摩擦焊接时下层金属焊接温度偏低、金属流动不畅、容易产生组织疏松或空洞，而上层金属因温度过高、流体压力过大而产生溢出和飞边等典型厚板焊接问题，从优化搅拌头结构的角度出发，设计出一种新型厚板焊接强力搅拌头。在焊接20mm高强度铝合金的实验中有效地消除飞边和空洞缺陷，获得了成功的应用。     

搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流动的抽吸—挤压理论

通过镶嵌多层铜箔作为标识材料,利用带螺纹和表面光滑的圆柱形搅拌针进行搅拌摩擦焊试验,确定了焊接时金属在焊缝厚度方向存在剧烈的塑性流动,搅拌针表面的螺纹是驱动焊缝塑化金属在焊缝厚度方向流动的主要因素.在试验基础上提出了焊缝塑化金属厚度方向流动的"抽吸-挤压"理论,认为当搅拌头旋转引起塑化金属沿螺纹表面轴向流动时,在螺纹的一端形成一瞬时空腔,周围塑化金属将被吸向此空腔,形成所谓抽吸效应;在螺纹的另一端,塑化金属将改变流向并挤压周边金属,形成所谓挤压效应:正是由于空腔对塑化金属朝焊缝中心的抽吸作用和挤压区往外对塑化金属的挤压作用,使高温塑化金属在焊缝厚度方向形成剧烈的环形迁移运动.用抽吸-挤压理论分析了焊缝中洋葱瓣花纹的形成,洋葱瓣中心的位置及隧道型缺陷的位置与由此理论分析的结果一致.通过工艺试验观察洋葱瓣花纹尺寸变化及他人的试验结果,验证了用"抽吸-挤压"理论预测焊缝成形的正确性.     

异种铝合金搅拌摩擦焊塑性流场的实验研究

本文针对LY12和LF21的异种铝合金进行搅拌摩擦焊焊接,在被焊件不同深度嵌入示踪原子,焊后进行切割、取样及金相试验,在Mef3大型金相显微镜观察金属流动情况及示踪原子的分布状况,对焊缝前进侧、返回侧及不同深度处流场进行分析。实验结果表明,一方面,靠近焊缝顶部的流动主要受轴肩的旋转摩擦控制,而靠近焊缝底部的流动则主要由搅拌针上螺纹的旋转搅拌控制,这就会产生不同的流动状况;另一方面,在焊缝前进侧靠近搅拌针的区域,材料随搅拌针一起从前进侧流向返回侧,而在离搅拌针较远的区域,材料会向后流动;但在焊缝返回侧,材料均向后流动,只有少量材料流到前进侧。另外,从返回侧向前进侧的材料流动将在焊缝产生一个材料的竖直混合,以及围绕焊缝纵向轴线的复杂的循环运动。     

搅拌摩擦焊工具的研究现状

搅拌焊工具技术是搅拌摩擦焊工艺最重要的因素。搅拌焊工具主要由肩部和焊针组成，焊接薄板时，旋转的肩部和工件之间摩擦产生的热量是主要热源，而随着板厚的增加，更多的热量必须靠旋转的焊针和工件摩擦产生。焊接工具的主要作用是保证连接区材料产生足够的塑性变形，并控制焊针周围塑性体的流动，形成优质的焊接接头。     

不同过程参数对搅拌摩擦焊接中材料流动以及残余应力分布的影响

通过有限元法建立了搅拌摩擦焊接的二维模型,并研究了不同工艺参数下搅拌摩擦焊接过程中材料的流动以及残余应力的分布。在搅拌摩擦焊接过程中,切向流动构成了材料流动的主要形式,并且材料流动最为剧烈的区域发生在后退侧。在材料的切向流动中,材料的流动方向不是单一的,可能会形成漩涡。搅拌头平移速度和转速的增加,都能使材料在后退侧的流动变得更为剧烈,但是在材料流动速度较小的区域,参数的改变对材料流动的影响很小。纵向残余应力的最大值始终发生在热影响区的边界,并且纵向残余应力在靠近焊缝中心线的附近一般为正值,而在靠近焊接构件边界的地方,残余应力则表现为负值。纵向残余应力的最大值随着搅拌头平移速度的增加而有所增加,但是搅拌头转速的变化对纵向残余应力的分布影响不大。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能

利用圆柱螺纹和三棱柱螺纹搅拌头对2024-T3与7075-T6铝合金进行了搅拌摩擦对接焊,并对焊缝的宏观形貌、硬度以及接头的拉伸性能、断口形貌进行了分析。结果表明:搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为80mm·min-1时的焊缝中无隧道类缺陷,且三棱柱螺纹搅拌头使得两种材料融合得较好,搭配方式为AS(2024)-RS(7075)的接头抗拉强度达到了260MPa,断裂位置为2024-T3铝合金的TMAZ区;搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为120mm·min-1且搭配方式为AS(2024)-RS(7075)时,圆柱螺纹搅拌头对应焊缝的硬度最小,仅为107HV,且拉伸断口上的韧窝数量最少、深度最浅,抗拉强度也最低,为78MPa。     

搅拌摩擦焊焊接温度数值模型及其影响因素

通过对搅拌摩擦焊过程进入稳定状态后摩擦产热与散热机制的分析,建立了搅拌摩擦焊焊接温度的数值模型。由数值模型可知,影响焊接温度的各种因素包括被焊材料和搅拌工具材料的物理性质、两者之间的摩擦因数、搅拌工具的尺寸、焊接参数、被焊材料表面受到的轴向压力和侧面受到的进给压力等,有些因素之间还互相影响,关系复杂。其中,搅拌工具的旋转速度、搅拌工具与被焊材料之间的摩擦因数、被焊材料表面受到的轴向压力及侧面受到的进给压力是主要因素。以聚氯乙稀板材搅拌摩擦焊为例,验证了在适当的取值范围内焊接温度数学模型的理论计算值与实测值基本吻合。     

搅拌摩擦焊的研究进展与应用

搅拌摩擦焊是利用一种特殊形式的搅拌头边旋转边前进,通过搅拌头与工件的摩擦产生热量,摩擦热使该部位金属处于热塑性状态,并在搅拌头的压力作用下从其前端向后部塑性流动,从而使待焊件压焊为一个整体。本文简要地介绍了搅拌摩擦焊的原理及其优缺点,重点介绍了搅拌摩擦焊在无损检测、有限元分析、极限条件、界面复合物、疲劳等方面的最新研究进展以及搅拌摩擦焊在航空航天领域、造船业、陆路交通工业中的应用现状,并展望了搅拌摩擦焊的研究前景。     

搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金焊缝金属流动形态的影响

采用铝箔作为标示材料,研究了旋转速度、焊接速度、下压量等工艺参数对LY12铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动形态的影响.结果表明:焊缝金属的流动形态由4个特征区域组成,即水平流动区、紊流区、"洋葱环"区和刚塑性迁移区;搅拌摩擦焊的焊缝关于中心不对称,返回边标示材料的变形程度比前进边的大;随着旋转速度的提高,金属在焊缝厚度方向向上的迁移量先增大后减小;随着焊接速度的提高,金属向上迁移的最大位移减小;增大下压量,有利于金属的流动和焊缝致密度的提高.     

铝合金搅拌摩擦焊技术研究

论述了搅拌摩擦焊的焊接方法、工艺过程和基本原理；通过大量的工艺参数优化，解决了焊缝中的孔洞问题，使ＬＦ６板材搅拌摩擦焊的焊缝达到与母材等强，ＬＹ１２焊后未经热处理，连接强度接近母材的８０（。由金相分析可以看出，搅拌摩擦焊属于固相连接，焊缝晶粒细小，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。初步应力测试发现，搅拌摩擦焊焊缝比熔焊焊缝的残余应力低。试验研究结果表明，搅拌摩擦焊焊接过程稳定可靠，焊接接头性能良好，具有广泛的应用前景。     

焊接工艺参数对FGH96合金惯性摩擦焊过程材料塑性流动行为的影响

采用数值模拟方法对FGH96合金惯性摩擦焊过程进行分析,获得温度、轴向缩短量、材料流动与飞边四者之间的关系,着重研究初始转速与轴向压力等焊接工艺参数对材料塑性流动行为的影响规律。研究结果表明:在惯性摩擦焊初始阶段,材料温度与流动速度较低,无飞边产生;随着焊接过程的进行,材料的温度与流动速度呈现先升高后降低的规律;在焊接过程进入稳态后,摩擦面中心区域的材料主要沿试件的旋转方向流动,而摩擦面上两边界附近的材料向面外流动并形成飞边,飞边尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加。同时,随到摩擦面距离的增加,材料的流动速度逐渐降低且材料沿轴向流动的速度分量增大。结合FGH96合金惯性摩擦焊轴向缩短量的数值模拟结果,解释了从提高材料流动速度的幅度上看增加轴向压力优于初始转速的原因。     

基于CFD模型的搅拌摩擦焊接搅拌头受力分析

搅拌头作为搅拌摩擦焊接的核心部件,其工作状态与使用寿命,对焊接过程起着决定性作用,而其受力与应力值,将直接影响搅拌头的磨损和疲劳分析。建立了AA6061-T6搅拌摩擦焊接计算流体力学模型,对搅拌头附近压力场进行分析,计算搅拌头横向受力,包括轴肩表面阻力,搅拌针上压力和搅拌针底部阻力。基于得到的搅拌针上载荷分布,进一步计算出多种转速工况下搅拌针根部危险截面疲劳应力变化规律。