摩擦叠焊——一种新型的固相连接技术

摩擦叠焊(FSW)是一种新型的固相连接技术,英国TWI、德国GKSS研究中心等单位近10多年来在这方面进行了大量的应用基础研究,目前已经具备了商业化工程服务的技术能力.简单介绍了摩擦叠焊的起源、FHPP单元成型机理及FSW焊缝的连接特性,并介绍了欧盟国家的工程化应用研究历程.国外的试验研究结果表明,摩擦叠焊技术在干湿环境条件下都能够获得较好的连接质量,因此在材料的成型加工尤其是钢结构的水下湿式维修方面具有巨大的应用潜力.我国应该优先结合海洋石油工业的实际发展需求,尽快开展相应的应用基础研究工作.     

预制孔形状对摩擦叠焊单元成形影响的数值分析

对两种预制孔形状的摩擦叠焊单元成形过程进行数值仿真分析,得到完整的包含大变形塑性变形的焊接过程结果。分析得到,由于圆锥形预制孔在焊接过程中接触面压力均匀,而圆柱形预制孔在塑性材料与侧壁接触面上没有压力,所以圆锥形预制孔得到的温度场与应力场较圆柱形预制孔分布均匀,从而影响焊接接头的结合强度。通过拉伸试验与仿真结果进行对比,结果吻合。     

焊后热处理对水下摩擦叠焊焊接接头质量的影响

基于摩擦叠焊技术特点,研究不同的焊后热处理工艺对水下摩擦叠焊焊接接头质量的影响。结果表明:焊后热处理能够明显细化水下摩擦叠焊焊接接头的组织晶粒,降低焊接接头的硬度,提高拉伸强度和弯曲性能。     

塞棒形式对摩擦叠焊单元成形质量的影响

为解决摩擦叠焊单元成形过程中塞棒与孔侧壁结合强度不足的问题,研究了塞棒形式对摩擦叠焊单元成形质量的影响。采用8种不同形式的塞棒分别进行焊接试验并对接头进行拉伸试验。通过对接头的宏观照片及拉伸试验结果进行对比,分析不同塞棒形式对叠焊单元焊接质量的影响。结果表明,通过对塞棒形式的不断优化,可以减少焊接缺陷,提高焊接质量。     

摩擦叠焊的基础研究及工程应用

摩擦叠焊是一种新型固相连接技术.介绍了围绕摩擦叠焊所开展的基础研究,归纳总结了各国所用的工艺参数;同时介绍了摩擦叠焊技术在深海钢结构裂纹修复、海底管道在线开孔以及浮式生产储运卸装系统等领域的工程应用前景,以促进围绕该技术的应用基础研究和工程实用化进程.     

Q235钢摩擦叠焊单元成形焊接接头金相组织分析

针对Q235钢开展了摩擦叠焊单元成形焊接试验并对在主轴转速5 000 r/min,塞棒进给速度0.3 mm/s条件下的焊接接头的显微组织和显微组织硬度进行了测试,分析了摩擦叠焊单元成形焊接接头中不同位置的金相组织结构与摩擦焊接过程中温度和压力之间的关系,以及接头中不同位置处显微组织硬度存在差异的原因 该研究对Q235钢摩擦叠焊焊接工艺参数的研究及提高焊接接头的质量具有一定的指导意义.     

FHPP 单元成形过程初期阶段的热力耦合分析

摩擦液柱成形(FHPP)是摩擦叠焊的基本单元成形过程,也是影响摩擦叠焊焊接质量的关键环节.采用有限元软件MSCMarc建立了FHPP过程初期阶段的三维有限元热力耦合模型,对同质材料Q235-Q235组合进行了计算.结果表明,在焊接过程中焊棒底端摩擦面上的温度呈现沿径向由内向外逐渐升高的趋势,而接触压力的分布则是逐渐渐小.在材料未发生明显塑性变形的状态下提高转速对温度的升高作用显著,但是温度越高,效果越不明显.当材料在高温状态下发生塑性变形时,采用增大轴向力的方式更有利于温度的升高和材料大变形的产生.     

网格重划分技术在摩擦叠焊仿真中的应用

通过ABAQUS软件建立了一个Q345材料的摩擦叠焊焊接过程的二维有限元模型.在abaqus/standard中采用手动重划分及计算结果映射方法,有效地解决了由于塞棒的非线性大变形引起的收敛困难问题.通过将真实焊接试件的飞边形态与仿真计算结果的对比,证明了网格重划分及结果映射技术在摩擦叠焊单元成型过程仿真中应用的合理性和正确性.     

7A52铝合金搅拌摩擦焊的焊缝成形

针对7．6mm厚的7A52铝合金，研究了搅拌头的形状和焊接工艺参数对焊缝成形的影响，分析了搅拌摩擦焊缺陷产生的原因。结果表明，搅拌头的形状决定了焊接时焊缝成形的旋转速度范围；搅拌头旋转速度、焊接移动速度、焊接倾角、搅拌头轴肩压入被焊接件表面深度等都对搅拌摩擦焊焊缝成形有重要影响，只有合适的工艺匹配才能保证焊缝成形良好。     

搅拌摩擦焊技术的最新进展

介绍了近年来搅拌摩擦焊技术的最新进展，涉及搅拌摩擦焊适用材料、接头微观组织、焊接工具、成形机理及搅拌摩擦焊的应用领域，并展望了FSW良好的发展前景。     

2024铝合金圆柱形组合的FHPP试验分析

在国内首台摩擦叠焊设备上实现了2024铝合金/2024铝合金摩擦液柱成形(FHPP)连接,金属棒消耗段的直径为14 mm,预钻孔深为25 mm,孔径为16 mm,主要研究了转速和保护气体对FHPP成形质量的影响,通过金相显微镜、显微硬度仪等测试手段分析了试样的微观组织性能.结果表明,转速过低导致母材和金属棒无法接合甚至出现马达不能正常工作现象,采用转速为5 000 r/min,进给速度为0.5 mm/s的组合,可得到较好的焊缝;施加保护气体能更进一步改善FHPP的成形质量,接合线较未加保护气体时明显细化,金属棒上端材料和母材达到了良好接合.     

DH36钢水下摩擦叠焊接头组织性能分析

采用天津大学自主研制的摩擦叠焊设备进行了DH36钢水下摩擦叠焊试验,对摩擦叠焊接头进行了显微组织观察和硬度测试,对比分析了不同焊接压力和不同焊接环境(水下和空气)下接头不同位置的拉伸性能. 结果表明,水下摩擦叠焊接头不同部位显微组织与硬度均存在较大差异,焊缝区组织以板条马氏体和条状及粒状贝氏体为主,硬度最高值为489.3 HV10,焊缝上部区域硬度值略高于下部,中间单元焊缝(后焊)硬度值整体上高于两侧单元焊缝(先焊);焊接压力增加能一定程度改善接头连接质量;空气中焊接的试件平均抗拉强度高于水中焊接接头.     

先进摩擦焊接技术的开发与应用

先进摩擦焊接技术具有巨大的开发潜力，是适应环境的21世纪材料加工制造技术,它主要包括线性摩擦焊、摩擦堆焊、搅拌摩擦焊和摩擦塞焊。本文综合介绍了上述几种先进摩擦焊接技术的工艺特点及应用发展趋势。     

先进摩擦焊接技术的开发与应用

先进摩擦焊接技术具有巨大的开发潜力,是适应环境的21世纪材料加工制造技术,它主要包括线性摩擦焊、摩擦堆焊、搅拌摩擦焊和摩擦塞焊。本文综合介绍了上述几种先进摩擦焊接技术的工艺特点及应用发展趋势。     

Q235钢FHPP工艺

采用FHPP技术实现了Q235钢的成形连接,所采用金属棒消耗段的直径为φ14mm、预钻孔深为25 mm、孔径φ16 mm。对焊缝附近材料的微观组织进行金相观察和显微硬度测试,发现再结晶部分材料的晶体颗粒细化,焊缝附近再结晶部分材料的显微硬度由中心向两侧升高,在熔合线处降低。结果表明,转速过低导致母材和金属棒无法接合甚至出现马达憋死现象,采用转速为5000 r/min以上、进给速度为0.5 mm/s的组合,可获得较好的焊缝,且焊缝从底部往孔洞顶部方向,质量逐步改善。     

An investigation on friction hydro-pillar processing

Friction hydro pillar processing (FHPP) is a novel technique to fill in crack-holes in thick-walled metal structures by an external stud and forming a solid-state bond between the stud and the metal substrate. During the process, the stud is rotated against the crack-wall to facilitate friction heating and flow of plasticized material for proper filling of the crack-hole. We present here a coupled experimental and numerical study on FHPP of ASTM A36 steel to understand the effect of processing conditions on the joint structure and properties. An axi-symmetric heat transfer analysis is carried out to compute the temperature field. The computed thermal cycles are used to estimate the hardness distribution across the joint. The estimated thermal cycles and hardness distribution are tested with the corresponding experimentally measured results.