铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力超声波法测量

开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置,在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转,内部搅拌针旋转,获得了无弧纹的搅拌摩擦焊缝表面。焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件,使用超声波焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量。测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大值可达母材抗拉强度的66%左右,应力峰值不低于弧焊,纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近,横向残余应力值低于纵向残余应力。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布

采用小孔法对3 mm厚2024-T4铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行研究.为了衡量钻孔引入应变对结果的影响,测量了退火2024铝合金板钻孔产生的应变,将其作为附加应变对焊接试件上测得的应变结果进行修正.结果表明,在试验条件下得到的焊接接头的残余应力以纵向应力为主,横向应力相对很小;纵向高应力区集中在轴肩作用区域,呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧,在轴肩作用区域之外应力值迅速降低,在距焊缝中心较远的区域转变为压应力;纵向残余应力峰值为164.5 MPa.分析认为,机械搅拌和焊接温度场的叠加作用造成焊缝两侧纵向残余应力的不对称分布.     

1.8mm2024-T4铝合金板的搅拌摩擦焊接

采用搅拌摩擦焊方法对厚度为1.8mm2024-T4铝合金薄板进行焊接实验,通过高压水冷装置来控制由残余应力产生的失稳翘曲变形,并对焊缝的微观组织与力学性能进行了分析.结果表明:用搅拌摩擦焊方法焊接1.8mm厚的2024-T4铝合金薄板可得到外表成形美观、内部无缺陷的平板对接接头.在冷却水压为0.4MPa、搅拌针旋转速度为2100r/min、焊接速度为120mm/min时,搅拌摩擦焊的焊接接头强度可达到377.9MPa,达到母材强度的80.39%.     

2024铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构及力学性能

采用搅拌摩擦焊工艺实现3 mm厚的2024铝合金焊接,对接头搅拌区的组织结构及力学性能进行分析。研究表明,焊核区主要由再结晶和搅拌的双重影响而形成的细小等轴晶组织构成;热机影响区受焊核区剪切力及热循环的影响,晶粒大小不均匀并伴有晶粒变形的现象。力学性能分析表明,接头显微硬度分布特征与金相组织结构一致;当焊接速度为300 mm/min时,接头的抗拉强度达到294 MPa,为母材的69%,接头的断裂形式为韧窝和沿晶断裂特征的韧性和脆性断裂;接头的焊接残余应力以纵向应力为主,纵向残余应力峰值出现在前进侧轴肩作用的边缘处,焊接速度为300 mm/min时峰值达到164.5 MPa。     

7075-T651铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力研究

采用对接形式对7075-T651铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,并采用盲孔法对其接头的残余应力分布规律进行了研究。结果表明,应力曲线为"M"型,焊核区最小,在邻近轴肩处最大。在焊接速度200 mm/min下,焊核的纵向残余应力为压应力。根据不同焊接速度下残余应力分布,发现随着焊接速度的提高,纵向残余应力增大,最大值从136MPa(200 mm/min)增大到275 MPa(300 mm/min)。另外,后退侧的残余应力比前进侧的大,随着焊接速度的减小,残余应力在前进侧与后退侧的差值减小。接头不同位置的微观组织分析表明,前进侧和后退侧不同的微观形貌也反应了残余应力的不对称性分布。     

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.     

铝合金差厚板搅拌摩擦焊温度场及残余应力分析

根据搅拌摩擦焊特点,考虑米塞斯屈服准则以及搅拌针和轴肩产热,以厚度为2 mm和4 mm的差厚6061-T6铝合金板材为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件,通过建立热源模型,对搅拌摩擦焊温度场与残余应力进行模拟分析。研究结果表明:差厚板焊缝两侧温度场分布呈不对称椭圆状;差厚板残余应力主要表现形式是纵向残余应力,且在垂直焊缝方向上呈"M"形双峰分布,焊缝中心线附近区域的纵向残余应力是拉应力,并向母材边缘逐渐转化为压应力。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。     

基于复合搅拌摩擦焊的6063铝合金焊接接头残余应力控制研究

分别采用普通搅拌摩擦焊和带随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置的复合式搅拌摩擦焊对6063铝合金薄板进行焊接试验,并对两组试验的纵向残余应力数据进行对比分析。试验结果表明:普通搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力是拉应力,其值为83.6 MPa,位于前进侧的搅拌头轴肩边缘处。前进侧与返回侧两侧的纵向残余应力基本对称,从焊缝中心到边缘,纵向残余应力由小变大后再变小,最后转变为压应力;复合搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力比普通搅拌摩擦焊减小了38.9 MPa,其分布与普通搅拌摩擦焊时基本相同,但其变化范围窄。这说明随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置能有效减小纵向残余应力,从而能减小焊后变形,提高搅拌摩擦焊接接头质量。     

7075铝合金搅拌摩擦焊研究

使用搅拌摩擦焊对8mm厚的7075-T7351铝合金进行了单道平板对接。结果表明,在工艺参数为搅拌头旋转速度为1180r/min、焊接速度为37.5mm/min时,可获得较好的接头,抗拉强度达到390MPa,是母材强度的78%;7075-T7351铝合金搅拌摩擦焊接头微观组织为典型的搅拌摩擦焊接头组织,焊核区为细小的等轴晶,晶粒大小为6~7μm,母材组织中的强化相在此区域消失;接头显微硬度值分布趋势沿焊缝中心两侧基本对称,热机影响区-热影响区过渡区及焊核区硬度低于母材,是焊件的薄弱环节。     

2060Al-Li合金FSW工艺的温度与应力场模拟

使用Abaqus软件建立了2060-T8 Al-Li合金的搅拌摩擦焊3D有限元模型,对焊接过程的温度场及焊后的残余应力进行了模拟。结果表明:焊接高温区域在水平方向上呈椭圆形,搅拌头前方材料的温度梯度大于后方材料的温度梯度;温度模拟结果与热电偶测量结果比较吻合。纵向残余拉应力在垂直焊缝方向上呈现典型的"双峰"分布规律;其峰值在轴肩作用区边缘。在垂直于焊缝方向上,焊缝区域的边缘是最危险区域;在平行于焊缝方向上,焊缝的末端出现了Mises等效应力的最大值。     

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.     

焊接工艺参数对6061-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊组织及力学性能的影响

采用不同的压入量、旋转速度和焊接速度对6061-T6铝合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊,研究了焊接工艺参数对接头组织及力学性能的影响。结果表明,所有试验参数下,焊缝表面光滑、几乎不产生飞边,焊接工艺参数能够影响材料的流动性,进而对接头成形、组织和力学性能产生影响。焊接工艺参数显著影响焊核区形态,当焊核区为球状,焊缝显微组织硬度呈W形对称分布;而当焊核区为碗状时,前进侧显微硬度略高于后退侧。在最优参数下,即压入量为0. 08 mm、旋转速度为1 600 r/min和焊接速度为500 mm/min,接头抗拉强度为224 MPa,达到母材的75. 6%。     

搅拌摩擦焊工艺参数对6082-T6铝合金残余应力和变形的影响

为了研究搅拌摩擦焊工艺参数对铝合金焊接残余应力和焊接变形的影响,运用Abaqus有限元模拟软件,对5 mm厚6082-T6铝合金薄板在恒压力条件,不同主轴转速和焊接速度下的的搅拌摩擦焊进行了数值模拟计算,研究了焊接温度、残余应力和焊接变形的分布。结果表明:主轴转速一定时,焊接最高温度随着焊接速度的增大而降低;焊接速度一定时,焊接最高温度随着主轴转速的增大而升高。沿横向残余应力呈单峰状分布,峰值位于焊缝中心;沿纵向残余应力在焊缝两端有较大波动。相对于主轴转速,焊接速度的改变对残余应力影响更大。试板的整体变形趋势呈反马鞍状,沿纵向变形呈上凸状,沿横向变形呈下凹状。主轴转速一定时,焊接变形量随着焊接速度的升高而减小;焊接速度一定时,变形量随着主轴转速的升高而增大。     

轨道车辆用6082铝合金搅拌摩擦焊工艺技术研究

针对5 mm厚6082-T6铝合金板进行了搅拌摩擦焊工艺试验,用搅拌头的旋转速度与焊接速度的比值ω系数表征搅拌摩擦焊的热输入,分析了工艺参数对焊缝成形及力学性能的影响,并得出工艺评定参数。结果表明,当焊接速度700 mm/min,ω1.6或者旋转速度1 600 r/min,1.6≤ω≤3.0时,焊缝表面成形良好;当ω≥1.0时,抗拉强度在ω为1.4~3.0之间某个区域时达到最高;而当ω1.4时,弯曲性能基本合格。5 mm厚6082-T6铝合金搅拌摩擦焊焊接工艺评定参数确定为S=1 200 r/min,F=800 mm/min,顶锻力14 kN。     

工艺参数对铝合金静轴肩搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用自主设计的静轴肩搅拌摩擦焊设备对3 mm厚2024铝合金进行了搭接试验,研究了焊接速度及搅拌头旋转速度对焊缝成形的影响规律。研究表明,工艺参数不当时,焊核会形成未结合的冶金界面。焊缝表面缺陷与转移至焊缝上部的金属量有关。随着焊接速度的增加或者旋转速度的减小,焊核区宽度与界面迁移高度减小,界面迁移深度(水平迁移距离)增大。     

搅拌头尺寸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的影响

根据搅拌摩擦焊特点及库仑摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究搅拌头尺寸对温度场及残余应力场的影响规律。研究结果表明:纵向残余应力分布呈M形,最大值出现在轴肩边缘处;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径增大,峰值温度升高,残余应力峰值增大,且高应力范围变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值。与搅拌针长度相比,轴肩尺寸对峰值温度和残余应力影响显著。     

1060铝合金搅拌摩擦焊焊缝金属流动机理

对1060铝合金进行搅拌摩擦焊,研究搅拌头旋转方向、焊接速度、主轴转速和搅拌针偏移方向等不同因素对金属流动的影响。结果表明,5 mm厚1060铝合金在主轴转速1 000~1 100 r/min、焊接速度200~300 mm/min时,可获得无缺陷焊缝。在焊缝上部区域,轴肩的热力作用大于搅拌针对焊缝金属的作用。搅拌针的旋转方向及螺纹旋向对塑性金属流动具有重要影响。当搅拌头偏移的方向不同时,焊接质量相差较大。     

工艺参数影响2060铝锂合金搅拌摩擦焊接头的成形规律

以在航空领域有广泛应用前景的2 mm厚2060-T8 Al-Li合金为研究对象,进行了搅拌摩擦焊对接接头的试验分析,重点研究焊接工艺参数影响焊接接头成形的规律.研究结果表明,呈碗形的焊缝由轴肩作用区与焊核区组成;轴肩作用区的等轴晶的晶粒大于焊核区.当搅拌头的转速为800 r/min且焊接速度为80 mm/min时,焊接接头的表面成形良好且内部无缺陷.与800 r/min,80 mm/min相比,提高旋转频率或降低焊接速度,焊缝表面变得较粗糙;降低旋转频率或提高焊接速度,焊缝内部会出现隧道型缺陷.     

静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展

综述了静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展,主要涉及静止轴肩搅拌摩擦焊的基本原理以及高转速、常规转速和角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊等内容.高旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊在降低焊接载荷的同时,能够减小、甚至消除飞边和孔洞缺陷.常规旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊可获得沿板厚方向更均匀的焊缝组织,适合于热导率差的钛合金的焊接.设计与两侧板面完全贴合的静止轴肩,以角焊缝的形式实现T形接头的焊接,拓宽了搅拌摩擦焊的应用范围.无论是高旋转频率、常规旋转频率还是角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊,都存在搅拌头的磨损和过热问题,尚需开展深入、系统的研究.