薄板铝合金搅拌摩擦焊接头变形情况分析

采用数值模拟的方法对薄板铝合金搅拌摩擦焊接头的变形特征进行分析，并与实际接头的变形情况进行对比.结果表明，薄板铝合金搅拌摩擦焊的接头的变形成非对称形式，大变形区域主要出现在焊缝的前进侧，这种非对称变形主要是由于搅拌头对工件直接施加的机械力造成的.焊缝两侧固定点上的变形特征显示，后退侧在焊接过程中会出现剧烈波动，表明后退侧的稳定性低于前进侧.接头应力分布特征显示高应力区出现在焊缝的结束位置，x-y方向的剪切应力是影响终接头应力分布的主要原因.     

基于网格重剖分的搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析

采用自适应网格方法,建立搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合热刚粘塑性有限元模型,模拟搅拌摩擦焊接过程中工件的温度场、变形场和搅拌头的受力。计算结果表明,温度场关于搅拌头的分布为非对称,焊接在前行侧的有效应变高于其返回侧;沿焊缝区域的温度场、应变场分布是由工件的上表面至底面,呈自上而下的顺序递减。对搅拌头反力曲线的研究表明,在相同的转速下,焊接速度越快,其反力越大;在相同的焊接速度下,转速越大,其反力越小;搅拌头的受力峰值产生在预热阶段结束和搅拌头开始移动的时刻,在给定搅拌头倾角的情况下,搅拌头的最高温度产生在搅拌头的后侧。     

型材结构搅拌摩擦焊全热力耦合仿真分析

基于DEFORM-3D软件建立三维全热力耦合有限元模型,对轨道车辆中典型的型材结构搅拌摩擦焊接过程进行仿真研究。分析了型材搅拌摩擦焊接过程中型材的温度场分布和材料变形情况,同时采用点追踪的方法研究前进侧和返回侧相应位置材料的流动特征,进一步讨论了搅拌头转速、焊速以及下压量变化对焊接温度和等效应变的影响。研究结果表明:温度场分布和等效应变分布与型材接头的结构特征相关;前进侧和返回侧材料变形和流动差异显著;焊接温度和等效应变随转速升高而升高,随焊速升高而降低;焊接温度随下压量增大而升高,等效应变对下压量变化不敏感。     

铝合金搭接搅拌摩擦焊接头拉伸变形的数值模拟

通过对2A12铝合金搭接搅拌摩擦焊接头的强度试验,研究了搭接搅拌摩擦焊接头的断裂行为,应用有限元方法对2A12铝合金板材搭接搅拌摩擦焊接头的拉伸力学响应进行了模拟计算,获得了搭接搅拌摩擦焊接头在外载作用下的局部应力应变分布与变形规律.结果表明,在搭接接头的搭接面上存在两个类裂纹的未焊接区域,塑性变形首先在搭接界面裂纹尖端区域发生,上板受拉侧裂纹尖端周围区域的塑性变形最大,是导致搭接搅拌摩擦焊接头上板的前进侧热影响区断裂的主要原因.     

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.     

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.     

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。     

5A06铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟

采用热量自适应热源模型,利用ANSYS有限元软件对5 mm厚5A06铝合金搅拌摩擦焊接过程温度场进行模拟,研究不同转速、焊接速度对搅拌摩擦焊温度场的影响。结果表明:当焊接速度提高或搅拌头旋转速度降低时,焊接过程中的峰值温度降低;焊接过程进入稳态后,峰值温度稳定在420°C左右;沿焊缝两侧温度场分布不完全对称,前进侧温度略高于返回侧温度。     

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.     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌头转速对材料流动的影响

使用有限元方法模拟了不同搅拌头转速下,搅拌摩擦焊接过程中Al6061～T6材料的三维流动,以及材料流动与搅拌头转速的关系,结果表明,在搅拌摩擦焊接过程中,后退侧的材料流动较前进侧更为剧烈,并且随着搅拌头转速的增加,材料流动也会得到不同程度增强,搅拌头前方的材料在搅拌头的推动作用下向上涌起,被旋推到搅拌头后方并向下运动,该过程的周而复始是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因,等效塑性应变等值线的形状与材料热影响区,热力影响区以及搅拌区的边界形状具有较好的对应关系,随着搅拌头转速的增加,等效塑性应变随之增加。