搅拌摩擦焊焊接温度检测系统的研制

为了实现搅拌摩擦焊焊接过程中对搅拌工具和搅拌区域的实时温度检测,开发了一套焊接温度检测系统。系统采用无线数据传输技术,解决了位于旋转体的热电偶信号线的连接问题,通过无线供电技术实现了对测温装置的供电。详细介绍了系统研制的总体方案、硬件电路模块以及焊接温度检测软件的设计,同时分析了系统测温误差的影响因素和处理方法。通过搅拌摩擦焊实验,对研制的系统进行了工程验证,实验表明,该系统可精确测量焊接过程中搅拌工具及搅拌区域的温度,且测温范围宽、采样速度快、分辨能力高,具有较好的应用前景。     

铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对焊接温度的影响

搅拌摩擦焊是一种新型的、绿色环保、高效的固相焊接技术,其过程涉及由轴肩和搅拌针构成的无损耗搅拌工具。焊接过程中,高速旋转的搅拌工具插入到工件表面直至轴肩与工件接触,并沿焊缝向前行进,利用搅拌工具与工件产生的摩擦热使待焊材料塑化,并在搅拌工具的带动下产生流动与混合从而实现焊接。详细分析了搅拌摩擦焊接的微观组织结构,搅拌工具以及主要工艺参数对焊接的影响并通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度的影响。试验研究表明,主轴转速和焊接速度对焊接温度的影响较大,下压量对焊接温度的影响不大。     

6061-T6铝合金搅拌摩擦焊温度场的数值模型和参数影响分析

针对带圆柱搅拌针的搅拌头,推导了一种搅拌摩擦焊热源模型的一般表达式,按照滑动摩擦、粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦3种机制计算其中的摩擦应力,得到3种热源模型。采用ABAQUS软件,通过子程序实现热源模型并进行加载,建立了12.7 mm厚6061-T6铝合金板的搅拌摩擦焊温度场数值模型。数值模拟结果与实验结果的对比表明:基于粘着摩擦和混合滑动摩擦与粘着摩擦的模型能较好地预测温度场,两者给出的焊接稳态温度场基本一致,而基于滑动摩擦的模型预测的温度场偏高。通过改变模型参数的取值,系统地研究了边界条件、预热时间、焊接参数、搅拌头结构尺寸对温度场、产热功率和搅拌头所受力矩的影响,得到一系列规律和指标。     

搅拌摩擦焊的温度分析

在介绍一种新型固相连接技术-搅拌摩擦焊技术的基础上，重点分析了搅拌摩擦焊的工艺规范对温度的影响。搅拌摩擦焊的搅拌工艺规范对焊接不同区域的温度有较大的影响。     

AZ31B镁合金搅拌摩擦焊焊接工艺研究

采用搅拌摩擦焊对AZ31B镁合金板材进行了焊接试验,研究了搅拌头旋转速度、焊接速度和搅拌头轴肩下压量对焊接接头成形质量的影响。结果表明,搅拌头转速过快或焊接速度过慢时,焊缝会出现局部过热甚至熔化现象;反之,当搅拌头转速不够或焊接速度过快时,材料不能充分流动,会形成隧道型缺陷或表面沟槽。当搅拌头轴肩下压量过小时,焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷,焊缝表面出现沟槽,甚至使焊缝金属液外溢;搅拌头轴肩下压量过大,会造成摩擦力及搅拌头前移阻力增大、焊缝凹陷及出现飞边。当搅拌头转速为1200～1500r／min、焊速为30～60mm／min,搅拌头轴肩下压量为1．5～2．0mm时,可得表面成形良好、内部无孔洞和隧道的焊缝。     

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。     

2014铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟

将搅拌摩擦焊接过程中材料的流动看作是层流、粘性、非牛顿流体绕过旋转的搅拌头探针,并基于流体力学理论,建立了三维搅拌摩擦焊缝金属塑性流动的数值分析模型。提出了一种联合粘度场、速度场对焊接区域进行划分的方法:搅拌头周围的η0(材料粘度值)内易流动区域对应于焊核,η0外围与η1粘度带之间的区域对应于TMAZ区。三维模拟中材料的垂直方向流动与“标记嵌入技术”流变可视化试验结果吻合较好:靠近探针的区域内,回撤边中下部的材料向上运动,前进边中下部材料向下运动。焊接速度过高,搅拌头轴肩与探针过渡处的易流动区容易发生材料的分离运动,实际焊接中在此处容易产生空洞缺陷。     

TC4钛合金搅拌摩擦焊温度场的数值模拟

根据摩擦做功原理,建立了搅拌摩擦焊接过程热输入数值模型,并利用有限元分析软件ANSYS,采用移动热源分步加载的方法,模拟出厚度为4mm的TC4钦合金板对接过程中的瞬态温度场分布和各特征点的温度变化曲线.结果表明:TC4钦合金在焊接过程中整体温度场分布呈前面小后面大的椭圆形;达到准稳态时,温度峰值低于其熔点.     

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。     

搅拌摩擦焊核心区温度在线检测方法

提出了基于热图像的搅拌摩擦焊核心区温度检测方法,通过建立轴肩边缘焊材表面辐射度与电压的映射关系、热图像灰度与电压的映射关系,推导出轴肩边缘焊材表面温度与热图像灰度的关系。结合辐射热交换原理,得到了轴肩边缘焊材表面温度与核心区温度的关系,并求解得到搅拌摩擦焊核心区温度。实验对比验证了所建测温模型的正确性与可行性。     

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。     

搅拌摩擦焊接中搅拌头的受力分析

采用基于固体力学的有限元方法研究搅拌摩擦焊接过程中,不同过程参数情况下搅拌头的受力情况.研究发现,搅拌摩擦焊接过程中搅拌头上应力的最大值发生在搅拌头前进方向上搅拌头与焊缝中心线接触点的附近,且von Mises应力的最大值随搅拌头平移速度的增加而增加,随搅拌头转速的增加而较小.搅拌头前方的接触压力较大,后方接触压力较小,后退侧的接触压力较前进侧大.搅拌头的不停旋转决定了搅拌头受到交变载荷作用,导致疲劳成为搅拌头破坏的原因之一.焊缝中心线附近的等效塑性应变和结构纹理呈现洋葱状结构.     

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。     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊研究

成功实现了2.5 mm厚薄板镁合金AZ31的搅拌摩擦焊接。试验结果表明,接头外观优美,表面光滑,没有裂纹,背部搅拌熔合充分。微观组织、拉伸、弯曲和显微硬度试验显示镁合金的搅拌摩擦焊可以得到良好力学性能的接头(接头抗拉强度达母材强度的90％左右);显微组织特征显示接头有明显分区,焊缝中心生成等轴、微细的晶粒。     

搅拌摩擦焊径向阻力的动态测量与分析

利用压力传感器对聚氯乙稀塑料搅拌摩擦焊时搅拌头受到的径向阻力进行动态测量,对引起搅拌头径向阻力变化的原因及相关因素的影响规律进行分析.结果表明,搅拌摩擦焊过程开始后,径向阻力要经过一个先急剧上升,达到峰值后又迅速下降,到某一定值后稳定下来的过程.在其他条件不变的前提下,仅提高搅拌头的旋转速度使径向峰值阻力和稳态阻力都下降,达到峰值和稳态阻力的时间都缩短;仅提高焊接速度使峰值阻力大幅度上升,而稳态阻力却有升有降,但幅度不大,达到峰值阻力的时间变化不大,而达到稳态阻力的时间延长;搅拌头直径的变化会同时引起摩擦发热功率和散热功率的变化,它对径向阻力的影响比较复杂.     

摩擦焊模块化测控系统实现

设计基于P89C51RD2单片机的摩擦焊机压力及转速两个测控电路模块,实现对惯性摩擦焊过程关键参数压力及转速的闭环控制.摩擦焊机液压系统控制阀采用可控性较好的电液比例溢流阀,由压力传感器对实际压力进行检测,检测信号进入压力测控电路模块,经A/D转换、运算处理及D/A转换后输入电液比例溢流阀,以实现对摩擦焊接过程压力的连续调节.焊机主轴电动机驱动器采用调速性能较好的变频器,主轴转速由光电旋转编码器进行检测,其脉冲信号直接进入转速测控电路模块,经运算处理及D/A转换后输入变频器,实现调速控制,使焊机主轴电动机可按照焊接工艺的要求得到稳定、准确的转速.实际生产应用表明,压力及转速控制系统工作稳定、操作方便、运行效果良好.     

焊接位置与焊丝方位定义的讨论及几何建模研究

分析了现有焊接位置和焊丝方位定义的不足,通过建立世界坐标系、焊缝坐标系和焊枪坐标系实现了焊接位置和焊丝方位的几何建模,给出了焊缝倾角、焊缝转角、工作角和行走角的严格定义。     

线性摩擦焊机夹具系统弹性变形对焊接过程的影响

线性摩擦焊机是研制高推比航空发动机整体叶盘的关键设备,其核心是产生往复运动的振动系统。在振动系统往复运动中,固定夹具系统在往复摩擦力的作用下,不可避免的产生弹性振动和机械位移。通过建立线性摩擦焊接过程的动力学理论模型,研究了固定夹具的弹性振动对线性摩擦焊机振动系统驱动力、机械功率及产热功率的影响。指出线性摩擦焊接过程中,夹具系统的刚性对于焊接过程有很大的影响。固定夹具系统的弹性变形降低了摩擦界面的产热功率。摩擦阻力对驱动系统输出功率及摩擦产热功率的影响存在转折点,摩擦阻力过大,驱动系统输出功率及摩擦产热功率反而会下降,因此必须保证线性摩擦焊机夹具系统的刚性。该研究为进行线性摩擦焊机的设计提供了理论依据。     

穿孔等离子弧焊接中等离子云电流的产生机制及简化模型

为完善等离子体控制技术,基于等离子体物理理论的知识,对穿孔等离子弧焊接时等离子云产生机理进行了研究,分析探针测量等离子云时产生电流的原因。当把探针放置在等离子云中,由于等离子体的特殊性,将在探针上产生了负电位,通过分析发现,这个负电位大小与检测处等离子体温度有关。从等离子体物理理论的角度出发,将等离子体导电过程简化等效为一个具有内阻的电源,建立了适应于穿孔等离子弧焊接中等离子云电特性的简化模型。该模型能够较好地解释等离子云电信号随着探针到工件中心距离的增加而单调减小的规律,同时给出了探针放置的最佳位置。