冷-热源辅助对FSW残余应力影响的数值模拟

目的采用焊接中施加冷热源辅助的方式对焊接应力进行控制,以减小焊后残余应力。方法采用热机耦合数值模拟的方式对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程进行仿真,研究采用焊缝两侧加热且底部激冷的温差拉伸辅助工艺降低残余应力的效果。结果与常规工艺相比,温差拉伸时焊缝附近区域的温度梯度明显减小,焊缝区域温度峰值降低了75.3℃;搅拌头后方形成一个焊缝两侧温度高中间温度低的马鞍形温度场。两种工艺下的纵向残余应力峰值均位于焊缝边缘;相比于常规工艺,温差拉伸工艺下的残余应力峰值降低了23.4%。结论冷热源辅助可以有效减小搅拌摩擦焊接头的残余应力峰值。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来，对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展，但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向（温度场、流场和组织性能）的研究现状。     

双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析

目的 研究铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场规律。方法 以2024铝合金为研究对象,借助FLUENT软件,综合考虑了温度和应变速率对铝合金粘度的影响,采用修正的本构模型,分析了典型双轴肩搅拌摩擦焊接条件下接头温度和速度特征。结果 搅拌头边缘,应变速率较大,接近1000 s-1;温度场呈现出对称的哑铃状分布,最高温度为751 K,达到2024铝合金熔点的83%;前进侧温度大于后退侧温度,前进侧温度为640 K左右,后退侧为600 K左右;双轴肩摩擦焊材料流动速度大于常规焊,前进侧速度大于后退侧速度,前进侧轴肩作用区域大于后退侧;前进侧轴肩作用区域延伸至板材中间,造成带状不连续缺陷。结论 CFD软件Fluent可以较为准确地分析双轴肩搅拌摩擦焊的温度场和流场,可为搅拌工具的优化提供依据。     

纯铝板搅拌摩擦焊温度场数值模拟

建立了搅拌摩擦焊热源模型,利用有限元分析软件ABAQUS模拟了搅拌摩擦焊的温度场,研究了焊接速度、搅拌头轴肩尺寸和垫板材质对搅拌摩擦焊接过程中试板的温度场的影响。结果表明：随着焊接速度的提高,焊件上各点的峰值温度降低,经历高温区的时间减少;轴肩摩擦热是热输入的主要来源,随着搅拌头轴肩尺寸的增加,焊缝中心高温区同一等温线上宽下窄的分布特征越来越明显;垫板材质明显影响焊件底部的温度和分布;适当的焊接参数、搅拌头尺寸及散热条件对获得较好的焊缝质量极为重要。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来,对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展,但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起.简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向(温度场、流场和组织性能)的研究现状.     

搅拌摩擦焊温度场数值模型的研究进展

针对搅拌摩擦焊(FSW)的一个主要研究方向是探讨焊接过程中温度场的演变规律。在研究温度场时,数值模拟方法具有试验方法难以替代的优势。回顾了针对FSW温度场进行数值模拟时涉及到的主要模型、它们的大体思路以及各自的特点,重点论述了其中的产热和传热模型。在产热模型中,讨论了与热输入有关的热源模型、产热量计算模型和接触模型;在传热模型中,分别从热传导、对流换热和热辐射等方面进行了分析。此外,考虑到某些材料属性对温度场模拟结果的影响,文章的最后也对其进行了简要讨论。     

轴肩结构对搅拌摩擦焊过程中材料流动的影响

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌头的实际结构形式,利用ANSYS FLUENT软件对搅拌摩擦焊过程中材料的流动行为进行了数值分析,研究了轴肩结构分别为平面、内凹与同心圆时的材料流动规律.研究表明,当轴肩结构发生变化时,焊件表面及内部的材料流动趋势基本相同;靠近焊件表面的材料流动速度在轴肩结构为同心圆时最大,在轴肩结构为平面时最小.从避免搅拌摩擦焊根部缺陷的角度看,同心圆轴肩的搅拌头优于内凹轴肩,这一规律得到了试验证实.     

铝锂合金电子束焊接数值模拟分析及工艺优化

采用组合热源模型对Al-Li合金电子束焊接温度场分布进行数值模拟分析,通过热-力耦合,模拟计算得到接头区域的残余应力分布.结果表明,Al-Li合金电子束焊接温度场沿焊接方向呈椭圆形分布,电子束热源中心的温度最高,其附近区域的等温线分布密集,随着与热源中心的距离增大,等温线分布逐渐稀疏,焊缝区存在较大的温度梯度,较好地模拟出了电子束焊缝的钉形分布特征.接头的残余应力分布模拟结果显示,残余应力主要集中于焊缝区,由于修饰焊的热作用,焊缝上部具有相对较大的应力值.利用模拟计算得到的结果进行焊接工艺及参数优化,焊接工艺试验表明,试验焊缝形貌与模拟熔池形貌相吻合,进一步验证了模拟计算结果的可靠性.     

CLAM 钢搅拌摩擦焊温度场有限元分析

通过Ansys Apdil参数化语言建立三维温度场模型,采用移动热源分步加载的方法,对CLAM钢在搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行模拟分析,结果表明,CLAM钢可以进行固态连接;搅拌摩擦过程中热能主要来自轴肩摩擦生热;焊接头四周的高温区域一直呈现出椭圆形,温度呈阶梯状分布。在板厚方向上,从上表面到下表面温度依次降低,呈等腰梯形分布。     

激光增材制造热-力耦合数值模拟研究现状及进展

激光增材制造技术加工过程中温度变化迅速而剧烈,导致成形件内部产生复杂的热应力和残余应力,这是成形件发生应力变形、翘曲、开裂等加工缺陷的根本原因。并且,剧烈的温度变化使得难以直接使用实验观察其温度场和应力场演变规律。因此,通过建立有限元模型进行数值模拟的方法来分析热-力耦合场的分布以及其对成形件质量的影响尤为必要。总结了金属激光增材制造技术温度场和应力场的数值模拟研究进展及现阶段存在的一些问题,进一步探讨了金属激光增材制造技术在数值模拟方面的未来发展方向。     

6061铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 研究回填式搅拌摩擦点焊的产热机理。方法 利用DEFORM-3D有限元软件对焊接过程进行了数值模拟,得到了不同位置的温度循环和不同时刻的温度场,并通过改变搅拌头转速,研究了不同转速下接头的温度循环和温度场。结果 在套筒达到最大下扎深度附近测试点温度最高,最高温度分布在套筒下方金属;在水平方向,离焊点中心越近,温度上升速率越快,峰值温度越高,在厚度方向,温度循环变化不大;随着搅拌头转速增加,测试点温度上升速率增大,峰值温度升高。结论 通过数值模拟方法可以获得回填式搅拌摩擦点焊接头的温度场和温度循环,为研究其产热机理提供理论指导。     

2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 分析焊接接头温度场、应力场的分布情况,并着重讨论焊接转速对接头孔洞分布规律的影 响。方法 基于 ABAQUS 有限元分析软件,对 2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程进行了模拟,分 析了焊接过程中材料内部温度场、应力场及焊点底部孔洞的变化情况,并在此基础上采用小孔法对焊点 周围残余应力进行了测量,与模拟结果进行了对比分析。结果 焊接转速由 2200 r/min 提高至 3000 r/min, 焊接过程达稳定摩擦时焊接温度由 489 ℃增至 518 ℃。焊接结束时焊件表面残余应力数值均在 100~200 MPa,与实际小孔法测得数值吻合良好。结论 焊接转速的提高导致焊接过程中各阶段峰值温度提高, 在焊件横截面还可观察到沿厚度方向存在较大的温度梯度。接头孔洞数量随焊接转速先下降后上升,在 焊接转速为 2800 r/min 时,孔洞数量达最少。另外,焊件表面残余应力呈四周对称分布,并在压紧环外 径处出现最大值。     

搅拌摩擦点焊技术及其研究现状

鉴于搅拌摩擦点焊受到国内外越来越多学者的关注研究,本文在大量文献分析的基础上对搅拌摩擦点焊进行了分类和总结.详细综述了搅拌摩擦点焊的工艺方法、接头组织和力学性能以及焊接过程数值模拟等方面的研究,归纳了该工艺在航空、航天和汽车领域的应用,最后,分析了搅拌摩擦点焊当前存在的主要问题.     

2024铝合金水下搅拌摩擦焊热力耦合仿真分析

目的 优化搅拌摩擦焊接工艺参数,以提高接头的力学性能。方法 基于ABAQUS软件建立了热力耦合有限元模型,使用耦合欧拉-拉格朗日方法对典型的航空航天用板材2024铝合金的水下搅拌摩擦焊接过程进行了仿真研究。分析了搅拌摩擦焊接过程中板材的温度场分布和材料变形情况,同时研究了前进侧和后退侧相应位置材料的流动特征,进一步讨论了搅拌头冷却速度和摩擦因数对焊接温度和材料流变场的影响。结果 当摩擦因数较小时,针对焊接过程的有限元模拟将会失败;前进侧和后退侧材料变形和流动差异显著;焊接温度和等效应变随摩擦因数的增大而升高,随冷却速度的增大而降低。结论 当摩擦因数为0.8时,能较好地完成焊接。相对于空冷,水冷能明显缩短高温持续时间。     

搅拌摩擦焊焊缝塑性流动规律的数值模拟

使用FLUENT流体工程仿真软件对搅拌摩擦焊缝金属的塑性流动进行了数值模拟;初步得出了搅拌摩擦焊焊缝塑性流体流动规律.实验结果表明:随着距轴肩和搅拌针距离的增大,速度场开始减弱,焊缝金属由顶面向底面、由搅拌区向旋转区的流动也随之减弱.     

搅拌头尺寸变化对搅拌摩擦焊接的影响

采用有限元方法模拟了搅拌摩擦焊接过程中材料的流动行为以及残余应力的分布情况,结果显示,材料的切向流动构成搅拌头周围材料流动的主要形式,并且搅拌头周围材料的运动有较为明显的分层现象,随着搅拌头直径的不断增加,这种分层流动的现象变得更加明显.纵向残余应力的最大值产生在热影响区的边界,残余应力呈现典型的双峰特征,搅拌头直径的增加会导致高水平拉伸残余应力的分布区域变大.     

搅拌摩擦焊残余应力研究现状及展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术,目前国内外的研究主要集中在工艺、组织、力学性能等方面,而有关搅拌摩擦焊缝内部残余应力的研究相对较少。由于检测设备的限制,国内主要采用有损检测方法,无损检测方法却很少。详细综述了国内有关搅拌摩擦焊件内部残余应力测试的钻孔法、云纹干涉法,以及国内外无损检测方法中的X射线衍射法、中子衍射法和高能同步辐射法的研究概况,讨论了各种检测方法的优缺点,对未来搅拌摩擦焊残余应力的研究作了展望。