铝合金搅拌摩擦焊温度场数值模拟及参数影响分析

对10 mm厚6061-T6铝合金,应用有限元软件COMSOL建立了搅拌摩擦焊有限元模型,模拟搅拌摩擦焊稳态温度场并分析焊速、转速变化对温度场影响。结果表明:温度分布曲线在x、y方向呈非对称的M型,返回侧峰值温度比前进侧峰值温度低约10℃,搅拌头后侧峰值温度比搅拌头前侧峰值温度高约25℃;焊接速度越大,峰值温度差值越大,转速越大,峰值温度差值也越大。焊接速度不变,转速等值增加时,x、y方向温度分布曲线等值上移,具有一定的平行性和相似性。转速不变,焊接速度等值增加时,x、y方向温度分布曲线以越来越小值下移。与转速相比,焊接速度改变对椭圆形的热影响区改变大,对椭圆率改变明显,对温度场影响显著。     

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。     

钢结构的搅拌摩擦焊接仿真分析

利用DEFORM-3D建立了钢板对接搅拌摩擦焊的有限元模型,分析了其焊接过程中搅拌区的温度、应力应变和流场.模拟结果发现:在搅拌摩擦焊接过程中,温度呈非对称的分布,工件前进侧的温度高于后侧的温度;工件的等效应力、应变沿横向呈现非对称分布.不论是前进侧还是后退侧的材料,在搅拌头经过时的开始阶段都会发生剧烈的塑性变形并且随着搅拌头一起运动,但最终都会在搅拌头前进侧的后部沉积下来.     

摩擦搅拌焊接过程温度场的测量分析

温度场的分布不仅影响到摩擦搅拌焊缝区的材料流动,而且直接影响到焊缝各个区域微观组织结构,从而决定了焊接件的性能。结合试验研究了焊接工艺参数,主要是焊接速度和搅拌头旋转速度对2024铝合金焊接过程温度场的影响规律,得到了温度场在时间和空间上的分布规律,以及温度随焊接速度和搅拌头转速的变化规律,并研究了转速/焊速比对温度场的影响。     

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.     

2024铝合金搅拌摩擦焊初始温度场数值模拟与分析

搅拌摩擦焊下压过程中温度场的建立对工件的焊接质量有重要的影响。在搅拌摩擦焊接过程中,搅拌工具与焊接工件的摩擦接触关系及焊接工艺参数的选取,决定了焊接过程中工件的温度场分布。基于修正的库仑摩擦定律,建立了火箭燃料贮箱所用3 mm厚2024铝合金材料搅拌摩擦焊接下压过程的热量输入模型,通过有限元分析得到了整个过程中的温度场分布。分析结果表明,该模型的下压阶段温度场计算精度较高。模型的计算结果对指导铝合金焊接初始下压过程中转速、下压速度及顶锻力的大小等焊接工艺参数的选取具有重要意义。     

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。     

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。     

飞机蒙皮2A12铝合金搅拌摩擦焊的数值模拟研究

基于COMSOL对民航飞机蒙皮材料2A12铝合金搅拌摩擦焊进行了多物理场耦合的数值模拟研究,分析了焊接速度、搅拌头转速对模型中温度场及残余应力的影响,并通过实验对比验证了模型的准确性和可靠性。结果表明,在2A12铝合金板搭接部位,温度分布呈现"V"形分布。铝合金板中的最高温度及工件中的残余应力均随着焊接速度和搅拌头转速的变化而变化,为了保证焊接质量,最大焊接速度一般不能高于1.9 mm/s。同时,随着搅拌头转速的增加,工件中的最大残余应力和最高温度呈现先增大后逐渐平稳的趋势;纵向应力和横向应力分布均为M型,在焊缝处纵向应力集中为拉应力,横向应力在工件边缘表现为压应力,在焊缝附近为拉应力。     

搅拌摩擦焊对接面附近材料流变行为研究

搅拌摩擦焊(FSW)过程中的对接面附近工件材料流动变形行为与许多缺陷的形成密切相关。通过开展搅拌摩擦焊试验,研究对接面附近材料在FSW过程中的流动与变形行为。针对AA2024-T3铝合金进行研究,通过采用预制氧化膜为标示材料的方法进行标示,并采用不同的焊接参数进行FSW试验。结果表明,预制氧化膜在焊接过程中完全破碎,在焊缝中以氧化铝颗粒的形式呈有规律的“S线”分布,并且随着搅拌头转速的上升,宏观上“S线”分布宽度降低,局部上氧化铝颗粒尺寸越大,分布越紧密。标示材料在接头中的沉积特征体现出,在较低的搅拌头转速下,对接面附近工件材料在FSW过程中经历了剧烈的应变,而随着搅拌头转速的提高,总应变量反而减小。     

Predictions of tool forces in friction stir welding of AZ91 magnesium alloy

Abstract

Adaptive remeshing technique based finite element model of friction stir welding was used for the investigation of tool forces in the welding processes. Results indicate that the maximum tool forces occur at the initial time in the translational stage. In the tool forces in the three directions, the axial force is the maximum. The tool force in the direction perpendicular to the welding line is the minimum. The tool forces in the three directions are all increased with the increase in transverse speed and decreased with the increase in angular velocity.     

Numerical studies on controlling of process parameters in friction stir welding

A thermo-mechanical model is developed to predict the material deformations and temperature histories in the friction stir welding (FSW) process. Based on this model, the effects of the welding parameters on temperatures and material behaviors are investigated. Numerical results indicate that the maximum temperature in the FSW process can be increased with the increase of the rotating speed. The increase of the welding speed can lead to the obvious increase of the efficient input power for FSW system. The material particles on the top surface do not enter into the wake and just pile up at the border of the wake at the retreating side and this is the reason for the formation of the weld fash in FSW. Both the increase of the rotating speed and the decrease of the welding speed can lead to the increase of the stirring effect of the welding tool, which can improve the friction stir weld quality. But when the rotating speed is increased, the weld fash becomes more obvious. When the welding speed becomes higher, the rotating speed must be increased simultaneously to avoid any possible welding defects such as void. The simultaneous increase of the rotating and the translating speeds of the welding tool can lead to the increase of the residual stress.     

Friction stir welding of AZ31 magnesium alloys processed by equal channel angular pressing

Equal channel angular pressing (ECAP) is an effective thermo-mechanical process to make ultrafine grains.An investigation was carried out on the friction stir welding (FSW) of ECAPed AZ31 magnesium alloys with a thickness of 15 mm.For different process parameters,the optimum FSW conditions of ECAPed AZ31 magnesium alloys were examined.The basic characterization of weld formation and the mechanical properties of the joints were discussed.The results show that the effect of welding parameters on welding quality was evident and welding quality was sensitive to welding speed.Sound joints could be obtained when the welding speed was 37.5 mm/min and the rotation speed of the stir tool was 750 r/min.The maximum tensile strength (270 MPa) of FSW was 91% that of the base materials.The value of microhardness varied between advancing side and retreating side because of the speed field near the pin of the stir tool,which weakened the deformed stress field.The value of microhardness of the welding zone was lower than that of the base materials.The maximum value was located near the heat-affected zone (HAZ).Remarkable ductile character was observed from the fracture morphologies of welded joints.     

搅拌摩擦焊中摩擦头前进阻力的检测及分析

针对LF2和LY12铝合金板搅拌摩擦焊接过程中摩擦头前进阻力的变化进行了试验研究.试验采用压力传感器和数据采集系统得到了焊接过程中工艺参数对摩擦头前进阻力的影响规律.结果表明,焊接同种材料时,前进阻力随焊接速度、压入量、材料厚度的增加而增大,随旋转频率的增加,先增大后减小;焊接材料不同时,高硬度材料的前进阻力大于低硬度材料;焊接过程中摩擦头前进阻力大小与前侧变形金属体积和温度大小有关,前侧变形金属体积越大,温度越低,前进阻力越大.     

搅拌工具尺寸和工艺参数对塑料搅拌摩擦焊焊缝质量的影响

用不同尺寸的搅拌工具对聚氯乙烯(PVC)板材进行了搅拌摩擦对接焊工艺试验.试验证明,在搅拌工具肩部直径为30 mm,搅拌头直径为10 mm,搅拌头旋转速度为1 660 r/min,焊接速度为25 mm/min的情况下,可以得到焊缝饱满、成形美观的焊接接头.提高搅拌头的旋转速度可以成比例地提高焊接温度;焊接速度的影响较复杂,增大焊接速度一方面会降低焊接热输入,一方面又会间接地增大搅拌头的进给阻力,从而增大摩擦发热功率,提高焊接温度;搅拌工具肩部直径直接影响肩部与被焊材料表面的摩擦发热功率,增大肩部直径可以提高焊接温度,还有利于阻止焊缝材料的飞溅和外溢;而搅拌头直径的影响较复杂,增大它既可以提高搅拌头侧面与被焊材料之间的相对运动线速度,从而提高焊接温度,又会增加被焊材料的吸热功率和传热面积,从而降低焊接温度.     

搅拌摩擦焊中工艺参数对扭矩的影响

通过在6056—T6的铝合金薄板上设计不同旋转频率、不同下压量的搅拌摩擦点焊试验,测量焊接过程中的搅拌头扭矩、下压作用力和试板温度曲线来研究焊接工艺参数对扭矩的影响.结果表明,在旋转频率相同而下压量不同的试验中,搅拌头扭矩随下压作用力增大而增大,而引起扭矩增大的最主要原因是下压作用力使搅拌区材料的力学性能发生了改变;在下压量相同而旋转频率不同的焊接试验中,搅拌头扭矩随旋转频率升高而减小,但扭矩和旋转频率的乘积(即焊接热输入功率)却随旋转频率升高而增大,分析认为旋转频率通过温度和材料的应变速率两个途径对搅拌头扭矩产生了影响,而温度的影响作用更显著.     

X80管线钢平板多层对接焊数值模拟

管线钢在实际焊接过程中多采用多层焊,其焊接过程较单层焊更为复杂。利用SYSWELD专业焊接模拟软件,对X80管线钢中厚板平板多层焊焊接温度场及应力场进行数值模拟,研究焊接速度、预热温度及层间温度对焊接温度场和熔深的影响。结果表明,随着焊接速度的增加,焊接温度场的最高温度下降,熔深减小。提高预热及层间温度对温度场无显著影响。残余应力集中在焊缝及近缝的热影响区。最大纵向残余应力出现在打底层的焊缝根部,其峰值大于横向残余应力峰值。     

铝-铜异种材料对接搅拌摩擦焊温度场数值模拟

根据铝-铜异种材料对接搅拌头偏置搅拌摩擦焊接特点,利用ANSYS软件,模拟焊接过程中的瞬态变化温度场以及焊缝区域各点的热循环曲线. 通过对比分析了移动焊接稳定阶段焊缝横向、纵向及厚度方向各点的最高温度变化;对比不同焊接参数的变化对焊接温度变化的影响,确定主要影响因素为搅拌头转速. 通过试验采集特征点热循环曲线与模拟比较的结果吻合度良好,验证了热源模型与散热模型的准确性. 温度场模拟结果表明,异种材料偏置搅拌摩擦焊过程中温度最高值出现在焊缝中心偏铝合金侧位置.     

Ti/Al异种合金搅拌摩擦焊搭接接头的界面特性(英文)

采用搅拌摩擦焊实现TC1钛合金和LF6铝合金异种材料的搭接连接,并对界面特性进行研究。采用所选取的工艺参数均能获得良好的表面成形,但每一种工艺参数下的界面形貌不同。随着焊接速度的增加或搅拌头转速的降低,被搅拌针搅入焊核区的钛合金粒子的数量减少,而且搭接接头的抗拉载荷也随着焊接速度的提高而降低。当焊接速度为60mm/min、搅拌头旋转速度为1500r/min时,接头的抗拉载荷达到最大值,此时的界面区可以分成三层。搭接接头的显微硬度分布不均匀,焊核中心区的显微硬度值最大,高达HV502。     

微束等离子弧焊电弧温度场的分布特征及参数影响

使用数值模拟的方法,应用ANSYS软件对微束等离子弧焊电弧温度场分布进行了计算,并且基于光谱检测和高速摄影技术对微束等离子弧焊电弧温度场的分布进行验证. 结果表明,电弧轴向温度在近钨棒处最大,距钨棒距离增加电弧温度减小;电弧径向温度在电弧中心处最大,随着径向距离增加,温度减小. 随着焊接电流的增大,电弧近钨棒端面处及其中心的温度增大. 钨棒端面半径减小,电弧近钨棒端面处及其径向中心温度增大. 归一化后数值模拟的电弧端面径向和轴向温度分布,分别与光谱检测和高速摄影电弧图像处理的电弧光辐射强度分布保持一致.