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。     

搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

随着数值模拟技术在搅拌摩擦焊接研究中的应用日益广泛,对模型本身的准确程度要求越来越高,因而针对数值分析模型的研究显得更有意义.通过分析搅拌摩擦焊接热力耦合计算方面的相关资料,结合实际开展的搅拌摩擦焊接试验以及试验过程中对部分物理量的测量和分析,建立更加完善的搅拌摩擦焊接数值模拟模型.对生热过程、材料模型、夹具约束以及搅拌头机械载荷作用都进行细致分析和探讨,在新模型中采用被焊材料的剪切极限作为生热驱动力,考虑被焊材料的力学性能随温度和温度历史发生变化,建立夹具和试板之间的接触关系,并在力学分析模型中将搅拌头机械载荷简化考虑.利用新建立的数值分析模型对铝合金薄板搅拌摩擦焊接过程进行模拟,得到和试验结果吻合较好的温度场、残余应力和变形结果.     

搅拌摩擦焊在新能源汽车电池下壳体焊接工艺中的应用

介绍了搅拌摩擦焊的原理及优点、电池下壳体的结构、搅拌摩擦焊系统及生产工艺流程,针对搅拌摩擦焊技术在新能源汽车电池下壳体焊接工艺中的应用,利用机器人搅拌摩擦焊对焊接工艺参数及母材连接方式进行了试验研究,得到优化后的主轴转速S、焊接速度F、下压力P及工件连接方式,提高了焊缝融合度和接头稳定性,且焊接接头的抗拉强度均能达到母材标准抗拉强度的70％以上,表明该工艺方法在焊接速度、节能环保和产品质量等方面具有一定的优势.     

搅拌摩擦点焊技术在汽车行业的应用

随着汽车行业产品的轻量化发展,镁、铝等轻质合金被大量运用,其焊接技术亦为越来越多的工业制造商所关注,搅拌摩擦点焊技术是在搅拌摩擦焊技术的基础上衍生而来的一种适用于轻金属合金连接的新型的固相点焊技术。可以代替熔焊、激光焊、电阻点焊等多种焊接方法,而成为一种新型的搅拌摩擦焊方法。本文将对搅拌摩擦点焊的产生背景、基本原理以及在汽车行业的应用进行简述。     

铝合金搅拌摩擦接头的熔焊工艺研究

搅拌摩擦焊接(FSW)技术从发明至今得到了迅速发展,目前铝合金材料的搅拌摩擦焊工程化已分别应用至航空航天、轨道车辆等领域,但在这些领域里其工艺制造方面有待进一步探索和完善。本文从工艺研究角度,分析6005A铝合金材料的搅拌摩擦焊缝表面进行MIG熔焊工艺特性,对其接头的机械性能进行研究,并得出铝合金搅拌摩擦焊(FSW)接头的熔焊可行性,为搅拌摩擦技术的工程化应用提供依据。     

轨道车辆铝合金地板搅拌摩擦焊残余状态分析

搅拌摩擦焊作为一种先进的固相焊接技术,以其针对铝合金材料焊接效率高、焊后缺陷小、环境污染小等优点被逐渐地广泛应用。但是目前缺乏搅拌摩擦焊焊接中力学过程的研究,也鲜有力学过程对于焊缝残余状态影响的资料,不利于搅拌摩擦焊的推广应用。因此,本文以某型地铁车辆铝合金地板的焊接为研究对象,对搅拌摩擦焊工作原理及焊缝残余状态规律进行了分析,总结了摩擦焊接过程中的力学规律与导致焊缝残余应力不对称分布的原因。     

铝合金搅拌摩擦焊的应用现状与发展趋势

一、概述 1991年英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊(FSW),从此以后,基于这种固相连接技术的明显优越性,例如:优良的接头力学性能,不需要填充焊接材料,没有焊接烟尘和飞溅,很少的焊前准备和焊接变形等,在世界范围内的国际合作中开展了大量的研究和开发工作。另外,搅拌摩擦焊可以焊接各种铝合金材料,甚至以前所谓的不可     

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。     

搅拌摩擦焊焊接温度数值模型及其影响因素

通过对搅拌摩擦焊过程进入稳定状态后摩擦产热与散热机制的分析,建立了搅拌摩擦焊焊接温度的数值模型。由数值模型可知,影响焊接温度的各种因素包括被焊材料和搅拌工具材料的物理性质、两者之间的摩擦因数、搅拌工具的尺寸、焊接参数、被焊材料表面受到的轴向压力和侧面受到的进给压力等,有些因素之间还互相影响,关系复杂。其中,搅拌工具的旋转速度、搅拌工具与被焊材料之间的摩擦因数、被焊材料表面受到的轴向压力及侧面受到的进给压力是主要因素。以聚氯乙稀板材搅拌摩擦焊为例,验证了在适当的取值范围内焊接温度数学模型的理论计算值与实测值基本吻合。     

搅拌摩擦加工制备金属基复合材料的研究现状

搅拌摩擦加工技术是源于搅拌摩擦焊接技术的一种加工技术,目前已经被用于各种复合材料制备的研究中.本文主要介绍了搅拌摩擦加工技术制备复合材料的原理,概述了目前采用搅拌摩擦加工技术制备复合材料的研究进展,简要分析了搅拌摩擦加工制备复合材料的应用前景.     

超声振动强化搅拌摩擦焊的热力行为及微观组织特征

为了利用超声振动降低搅拌摩擦焊过程中金属材料的屈服应力和流动应力,研发超声振动强化搅拌摩擦焊试验装置,开展6061-T6铝合金的焊接工艺试验。采用实时采集焊机电参数并将其转化成力矩和力的方法,测试超声振动作用下搅拌摩擦焊的焊接载荷,利用热电偶测试施加超声时的焊接热循环,通过体视显微镜和金相显微镜分别观测焊缝截面尺寸和接头微观组织,并与相同参数下常规搅拌摩擦焊的情况进行比对。研究结果表明,超声振动能够显著降低焊接轴向压力和搅拌头转矩,增大焊缝横截面尺寸,细化和均匀焊核区和热力影响区的晶粒组织。热循环的测量结果显示,超声振动的施加略微降低了测量点的焊接热循环峰值温度。分析认为,超声振动与搅拌头附近的塑性变形材料相互作用,降低了金属材料的屈服应力和流变应力,进而改变了原有的温度场,从而产生了优异的工艺效果。     

紫铜板搅拌摩擦焊接温度场有限元分析

FSW传热过程直接决定工件所经历的热循环,进而影响焊接接头的微观组织和力学性能。同时温度场的分析对于预测接头残余应力和变形,以及焊缝区硬度都具有重要意义。本文在工艺研究基础上,分析了FSW的产热过程;根据搅拌头形状与尺寸,建立了FSW三维传热有限元模型。使用Ansys有限元分析软件,结合有限几个测量点温度变化的实验数据,对6 mm厚度紫铜板FSW焊接过程的温度场进行了有限元分析和计算,获得了该焊接过程的温度场分布与变化规律。计算过程中考虑了工件下表面与支撑板接触热传导对温度场的影响,以及温度对紫铜材料热传导系数的影响,有限元计算结果与实验测量结果接近。     

Load bearing capacity of tool pin during friction stir welding

Although friction stir welding (FSW) is now widely used for the welding of aluminum and other soft alloys, premature tool failure limits its application to hard alloys such as steels and titanium alloys. The tool pin, the weakest component of the tool, experiences severe stresses at high temperatures due to both bending moment and torsion. It is shown that the optimum tool pin geometry can be determined from its load bearing capacity for a given set of welding variables and tool and work-piece materials. The traverse force and torque during friction stir welding are computed using a three-dimensional heat transfer and viscoplastic material flow model considering temperature and strain rate-dependent flow stress of the work-piece material. These computed values are used to determine the maximum shear stress experienced by the tool pin due to bending moment and torsion for various welding variables and tool pin dimensions. It is shown that a tool pin with smaller length and larger diameter will be able to sustain more stress than a longer pin with smaller diameter. The proposed methodology is used to explain the failure and deformation of the tool pin in independent experiments for the welding of both L80 steel and AA7075 alloy. The results demonstrate that the short tool life in a typical FSW of steels is contributed by low values of factor of safety in an environment of high temperature and severe stress.     

搅拌摩擦焊过程接触熔化物理模型与分析

利用接触熔化理论建立了搅拌摩擦焊的物理模型,并进行了分析计算,探讨了搅拌摩擦焊焊缝的形成机制。指出搅拌摩擦焊过程中,能量沉积引起搅拌头前方摩擦界面处被焊材料的微结构发生改变,形成粘性类液层。研究结果表明,形成稳定厚度的类液层是实现焊接的必要条件。类液态金属在搅拌头的旋转作用下向后高速喷射,最终在搅拌头后方沉积形成弧形层状焊缝组织。     

铝-镁合金的超声振动强化搅拌摩擦焊试验研究*

研究铝镁异种合金的连接可拓宽轻量化结构的应用领域,具有重要的学术意义和工程实用价值。进行常规搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)和超声振动辅助搅拌摩擦焊(Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding, UVeFSW)的对比试验,并对结果进行分析。试验结果表明超声的施加可以拓宽工艺参数窗口,改善焊缝表面的成形,减少缺陷,优化界面结构,细化均化晶粒,提高接头的力学性能。进行载荷测试后发现,超声的加入可以降低焊接所需载荷,这有利于降低设备体积。而温度场的测试则说明,超声波对于焊件有预热作用。     

一种搅拌头轴肩临界值的计算方法

为提高搅拌摩擦焊焊接成功率,基于相关工程经验和热传导理论,提出了一种在确定被焊工件厚度情况下保证焊接成功所需要的搅拌头最小轴肩直径的方法.讨论搅拌针直径和长度等参数的选取方法,以稳态焊接时搅拌头摩擦产热量等于工件内固塑分界面的散热量为基础,推导被焊工件厚度与所需搅拌头最小轴肩直径的关系方程,并探讨该方程相关参数的取值范...     

Computational investigations on reliable finite element-based thermomechanical-coupled simulations of friction stir welding

The finite element method was used in the current work to study the selection of the constitutive models, the selection of the frictional coefficients, the selection of the contact models and the selection of the physical parameters. Numerical results show that the shape of the shoulder can affect the material flows obviously and a total of about 54.3% energy can be transformed into heat in friction stir welding/friction stir processing (FSW/FSP). When the physical parameters are further considered to be functions of temperature, the predicted temperature is lower than the one in which the physical parameters are constant. When strain-hardening effect is considered, the equivalent plastic strain is decreased and the corresponding energy dissipated by plastic deformation is decreased. The effect of the frictional coefficient on the prediction of the temperature field in FSW/FSP is small when the selection of the frictional coefficient is located in a reasonable small extent. The computational costs in the simulation of FSW/FSP are not only affected by the mesh sizes and wave speed but also affected by the mesh distortions. So, mesh distortions should be considered to be minimized in the numerical modeling of FSW/FSP to reduce the computational costs.