不同铝合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的数值模拟

基于Deform-3D有限元软件建立Al2024、Al5052、Al6061三种铝合金的搅拌摩擦焊接热力耦合模型,分析了搅拌摩擦焊中的温度、搅拌头受力和磨损情况。结果表明,不同铝合金搅拌摩擦焊接时,搅拌头磨损速度不同。Al6061铝合金对搅拌头磨损速度最快,Al5052铝合金对搅拌头磨损速率其次,Al2024铝合金对搅拌头磨损速度最慢;搅拌头的适当磨损会使搅拌头形状改变,使其寿命增加。     

搅拌摩擦焊中作用力对搅拌头疲劳寿命影响的模拟研究

利用ANSYS n Code Designlife建立了搅拌摩擦焊(FSW)过程搅拌头的疲劳模型。结合FSW过程中实测的搅拌头作用力载荷谱以及搅拌头扭矩公式,获得了搅拌头的作用力与疲劳寿命两者之间的关系,着重研究了前进阻力平均值与其周期性载荷幅值的大小对疲劳寿命的影响。模拟结果表明,前进阻力及其周期性载荷是造成搅拌头疲劳失效的主要因素,而侧向力与扭矩是次要因素;下压力有利于提高搅拌头的疲劳寿命。搅拌头的疲劳寿命随着前进阻力与前进阻力幅值的增加而减小。焊接参数的改变对搅拌头疲劳寿命的影响较大,但无明显规律。在FSW过程中,下压力平均值与前进阻力平均值的比值的增加有利于降低前进阻力周期性载荷的幅值,进而提高搅拌头的疲劳寿命。对于13mm厚的2024铝合金,当下压力平均值与前进阻力平均值的比值大于2时,搅拌头的疲劳寿命大幅度提高。     

搅拌摩擦焊搅拌头疲劳寿命的模拟研究

针对搅拌摩擦焊稳定焊接阶段,建立搅拌头受力模型与有限元分析模型,由计算结果可知,在稳定焊接阶段,前行处搅拌头根部为搅拌头薄弱部位,在垂直于搅拌头轴线方向,正侧面受拉应力,背面受压应力,分别为115.5, 127.5 MPa,若设计不当易从此处断裂。在此基础上结合Ramberg-Osgood模型,采用应变-寿命(E-N)法,对搅拌头进行疲劳寿命估算。结果表明,在当前焊接工艺参数下,搅拌头疲劳循环寿命为3.896×10~9次,可焊接6.487 25×10~4 m,不会出现疲劳断裂。结合实际生产中搅拌头并未出现断裂这一现象,今后在搅拌头设计中应更多考虑搅拌头焊接时的粘着磨损现象。     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触而滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温...     

不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头温度场模拟

搅拌头技术是搅拌摩擦焊工艺的关键技术,不绣钢搅拌摩擦焊一个重要的难点是确定不锈钢搅拌摩擦焊搅拌头的材料.此材料要求在1000℃或更高的温度下具有良好的耐磨性和韧性.采用搅拌摩擦焊工艺对3 mm厚0Cr18Ni9不锈钢板进行了对接焊接.利用有限元软件DEFORM-3D初步模拟了在旋转速度600 r/min,焊接速度70 mm/min下焊接不锈钢时搅拌头的温度场分布.结果表明,模拟结果与实测结果基本吻合.     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.     

搅拌头形状对塑料搅拌摩擦焊接头质量的影响

采用圆柱形、螺柱形、正圆锥形、倒圆锥形等形状的搅拌头对厚10mm聚氯乙烯板进行了搅拌摩擦焊试验.结果发现,当搅拌头转速ω=1 660 r/min,焊接速度v=25 mm/min时,采用正圆锥形的搅拌头可得到焊合良好、成形饱满的焊缝;采用圆柱形的搅拌头,也能得到焊合良好、表面光滑、成形美观的焊缝;采用倒圆锥形和螺柱形搅拌头焊接的接头焊合不良,质量较差.焊接时的测温结果表明,硬PVC塑料最佳的搅拌摩擦焊温度范围应为180～190℃,高于200℃会出现烧焦现象,低于170℃则会焊合不良或不能焊合.     

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明：相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。     

搅拌头尺寸对搅拌摩擦焊补焊的影响

分别采用8.5 mm长小搅拌头和24 mm长大搅拌头补焊具有表面沟槽缺陷的42 mm厚的Al-Mg-Si合金FSW试板。试验结果表明,搅拌摩擦焊补焊工艺能够修复具有表面沟槽缺陷的FSW试板。两种搅拌头补焊的焊接接头焊核区晶粒比较细小。大搅拌头补焊焊道与原焊道的重叠区硬度下降明显,对接头的硬度影响范围比小搅拌头补焊时的大。拉伸结果显示,小搅拌头补焊接头抗拉强度比大搅拌针补焊的高16 MPa,屈服强度比大搅拌头的高6 MPa。大搅拌头补焊时带来的热输入高且影响范围大,会造成焊接接头力学性能下降,所以在满足消除缺陷的前提下,尽量选择短小的搅拌头进行补焊。     

搅拌摩擦焊刀具承载能力数值模拟

厚板或高强合金搅拌摩擦焊中刀具容易在高温与高应力作用下发生破裂,因此对刀具进行承载能力分析具有重要意义。采用Fluent流固耦合模拟9.53 mm厚AA6061铝合金搅拌摩擦焊的热-机械过程,并将模拟的搅拌针压力场和温度场导入ANSYS模型中进行结构分析,研究焊接速度对刀具最大剪切力和安全系数的影响规律。结果表明,刀具最易在搅拌针根部发生断裂,而且随着焊接速度的增加,刀具承受的最大剪切力增大,安全系数降低,刀具承载能力下降。所建立模型的仿真结果与实验数据基本一致。     

搅拌针几何形状对搅拌摩擦焊温度场的影响

利用完全热力耦合模型建立铝合金搅拌摩擦焊有限元模型,分析了在相同工艺条件下,锥形搅拌针和柱形搅拌针对焊接温度场的影响。结果表明,同一工况下,轴肩产热量高于搅拌针的产热量,且随着厚度的增加,温度的峰值曲线逐渐降低;温度场曲线关于焊缝中心线呈现为类Ω形,前进侧温度高于后退侧温度,其中上表面温度曲线在轴肩内为平台状,焊件内部及下表面为山峰状;相同条件下,锥形针产热量高于柱形针,随距焊缝中心线距离的增加,温度的差值也增大。     

搅拌头形状对铝合金搅拌摩擦点焊流场的影响

采用商用CFD软件包中的FLUENT软件对2A14铝合金搅拌摩擦点焊过程中材料的流动情况进行了三维数值摸拟.为分析搅拌头轴肩底面轮廓对材料流动的影响,分别建立了平面轴肩和凹面轴肩.当采用凹面轴肩时,材料流动状况更明显.为分析搅拌针的形状对点焊稳态过程流场的影响,建立了圆柱形、三角形和方形三种不同形状的搅拌针模型.与圆柱形搅拌针相比,三角形和方形搅拌针引起的材料流动的范围更大.本文在计算过程中,没有考虑热耗散.     

搅拌摩擦焊数值模拟的发展现状

自英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊接技术以来,它已经被广泛应用于各领域,而且随着研究的深入,其应用范围不断扩大,多个国家的相关人员对各种不同材料的搅拌摩擦焊已进行了深入的试验研究,可是在数值模拟方面却刚刚发展起来,文中对搅拌摩擦焊数值模拟的三个方面(温度场、应力应变场和速度流场)进行了简述.     

搅拌摩擦焊数值模拟的研究现状

本文论述了国内外搅拌摩擦焊数值模拟的研究现状,重点讨论了国内外研究人员对不同形式的速度场、力场、温度场等的计算机数值模拟,针对不同的搅拌摩擦焊焊接工艺,研究人员提出了不同的数值计算模型,将材料的流动看作是稳态、层流、粘性、非牛顿流体,经实验进行验证能够得到基本符合的数值模拟结果,同时对搅拌类型的数值模拟有较好的指导作用。     

汽车轮毂搅拌摩擦焊的数值模拟

利用ANSYS软件对其搅拌摩擦焊过程的温度场进行了分析,结果表明,搅拌摩擦焊过程的最高温度为570℃,位于轴肩与工件的接触面上,热源中心温度场分布形状为圆环形,高温由圆环面向周围逐渐扩散降低。数值模拟与试验得到的熔池轮廓较为相似,焊缝熔池形状为杯锥状,说明车轮毂搅拌摩擦焊的有限元模拟过程较为合理。     

搅拌摩擦焊搅拌区动态再结晶的数值模拟

采用元胞自动机方法,结合搅拌区微观组织的成型机理,建立了搅拌区的二维动态再结晶模型.模型综合考虑了动态回复、应变速率等的影响,并将微观变量位错密度与宏观加工参数应变速率之间建立了联系.模拟得到的搅拌区内部组织晶粒的最终分布及平均晶粒尺寸与实际结果基本符合.为通过工艺参数控制改善焊接件组织性能提供可靠依据.     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响

采用镶嵌异种材料作为标识材料的方法,用不同搅拌针形状的搅拌头,进行了搅拌摩擦焊试验.结果表明,搅拌针形状影响焊缝塑化金属流动的行为,导致焊缝截面形貌发生变化.搅拌针表面的反螺纹使搅拌针周围塑化金属向下流动,迫使搅拌针端部周边金属向上运动,焊核中心处于焊缝横截面下部;正螺纹使搅拌针周围塑化金属向上流动,迫使轴肩下方及周边金属向下运动,焊核中心处于焊缝横截面上部.改变搅拌针形状及长度,可以改变搅拌针下方及附近区域塑化金属的流动形态,从而改变焊缝底部的成形及包铝层进入焊缝的深度.     

搅拌头形状对异质搅拌摩擦焊铜铝接头性能的影响（英文）

其余的工艺参数保持不变的条件下研究了9种不同形状搅拌头对异质搅拌摩擦焊铜铝接头性能的影响。采用宏观组织、显微组织、拉伸试验、硬度、扫描电子显微镜和电子X射线光谱仪等力学和冶金方法评估异质接头的性能。结果表明,采用直径为8 mm的圆柱形搅拌头得到的接头强度最大。此外,当多边形搅拌头的边数减少时,碎屑缺陷增加,因此,多边形接头不适合异质搅拌摩擦焊对接接头。而且,当多边形搅拌接头边数增加时,抗拉强度也随之增大。对同一焊肩表面,相对于圆柱形的搅拌头,多边形搅拌头的搅拌区较硬脆。采用多边形搅拌头得到的焊缝的最大硬度为HV 283。在搅拌区明显存在硬脆金属间化合物。在异质铜铝接头搅拌区存在金属间化合物,如Cu Al、Cu Al_2、Cu_3Al和Cu_9Al_4。     

搅拌头--搅拌摩擦焊的心脏

搅拌头是搅拌摩擦焊技术的关键，它的好坏决定了搅拌摩擦焊能否扩大待焊材料的种类，能否提高待焊材料的板厚范围。现在有很多科研机构和企业正在研究更加高效的搅拌头，在此主要介绍搅拌头最近的发展情况。     

焊接距离对钛合金搅拌摩擦焊搅拌头磨损的影响

采用搅拌摩擦焊（friction stir welding, FSW）技术对TC4钛合金热轧板进行焊接。通过失重法、3D影像仪和扫描电镜及能谱仪对TC4钛合金FSW过程中DZ22高温合金搅拌头磨损情况进行了表征,主要研究了焊接距离对TC4钛合金FSW搅拌头磨损的影响。实验结果表明：搅拌头磨损率与焊接距离成正相关,焊接距离达到180 mm后搅拌头磨损严重,搅拌针长度缩短0.24mm,磨损率为0.97%;轴肩深度缩短0.4mm,磨损率为1.73%;搅拌头质量减少0.15 g,磨损率为0.74%。在FSW过程中,高温高压是造成搅拌头磨损的主要原因,搅拌头磨损形式主要有机械磨损、磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损,搅拌头的磨损是这几种磨损形式相互作用的结果。搅拌头的磨损物会对焊缝造成污染,形成孔洞等缺陷。