搅拌摩擦焊接技术研究进展

介绍了搅拌摩擦焊接技术的焊接工艺、焊接机理、焊接数值模拟及难点,提出应从复合搅拌摩擦焊接技术工艺和搅拌头的再设计等途径解决搅拌摩擦焊接高熔点合金与黑色金属的技术问题。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

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。     

搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响

与传统熔化焊相比,搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding, FSW)因温度梯度较小,可以减少焊接裂纹和残余变形,是一种极具前途的铝合金固相焊接方法。相同焊接工艺参数下,搅拌头是影响焊接热输入和材料流动的主要因素之一,决定焊缝的组织与性能。基于固体力学有限元法和A7N01铝合金材料本构方程,建立基于Deform软件搅拌摩擦焊刚黏塑性仿真模型,并通过焊接试验的测温曲线和试验缺陷完成了模型验证,对比分析了圆台、三平面、四平面搅拌头平面对搅拌摩擦焊稳态焊接阶段的温度场、峰值温度曲线和材料流动行为的影响。结果表明,多平面搅拌头的焊接热输入高于圆台搅拌头,在材料塑性流动范围、流动均匀性和有效焊缝等指标方面优于圆台搅拌头。搅拌头的平面特征在材料流动过程中能够起到明显的挤压作用,从而细化焊缝区的晶粒,提高焊接接头的力学性能。基于仿真和试验结果分析,揭示了焊接犁沟缺陷的成因,并提出了预防措施。     

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.     

一种用于搅拌摩擦焊厚板焊接的新型搅拌头

针对厚板在搅拌摩擦焊接时下层金属焊接温度偏低、金属流动不畅、容易产生组织疏松或空洞，而上层金属因温度过高、流体压力过大而产生溢出和飞边等典型厚板焊接问题，从优化搅拌头结构的角度出发，设计出一种新型厚板焊接强力搅拌头。在焊接20mm高强度铝合金的实验中有效地消除飞边和空洞缺陷，获得了成功的应用。     

搅拌摩擦焊接过程中材料的三维流动分析

通过有限元方法对搅拌摩擦焊接过程中焊接构件材料的三维流动进行了研究，结果显示，在搅拌摩擦焊接工艺中，材料的等效塑性应变云图与焊接构件显微结构分布图有一定联系。在后退侧搅拌头的后方是材料流动较弱的区域，在后退侧搅拌头的前方则是材料流动最为剧烈的区域，材料越靠近焊接构件的上表面，其流动性越强。搅拌头前方的材料在搅拌头的推动下向上涌起，同时被旋推到搅拌头的后方，在肩台的作用下，这部分材料将会被压向下方以填充由于搅拌头的移动而留下的空间，这个过程周而复始，从而使搅拌摩擦焊接可以顺利进行。     

基于CFD模型的搅拌摩擦焊接搅拌头受力分析

搅拌头作为搅拌摩擦焊接的核心部件,其工作状态与使用寿命,对焊接过程起着决定性作用,而其受力与应力值,将直接影响搅拌头的磨损和疲劳分析。建立了AA6061-T6搅拌摩擦焊接计算流体力学模型,对搅拌头附近压力场进行分析,计算搅拌头横向受力,包括轴肩表面阻力,搅拌针上压力和搅拌针底部阻力。基于得到的搅拌针上载荷分布,进一步计算出多种转速工况下搅拌针根部危险截面疲劳应力变化规律。     

不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能

利用圆柱螺纹和三棱柱螺纹搅拌头对2024-T3与7075-T6铝合金进行了搅拌摩擦对接焊,并对焊缝的宏观形貌、硬度以及接头的拉伸性能、断口形貌进行了分析。结果表明:搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为80mm·min-1时的焊缝中无隧道类缺陷,且三棱柱螺纹搅拌头使得两种材料融合得较好,搭配方式为AS(2024)-RS(7075)的接头抗拉强度达到了260MPa,断裂位置为2024-T3铝合金的TMAZ区;搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为120mm·min-1且搭配方式为AS(2024)-RS(7075)时,圆柱螺纹搅拌头对应焊缝的硬度最小,仅为107HV,且拉伸断口上的韧窝数量最少、深度最浅,抗拉强度也最低,为78MPa。     

基于遗传算法的搅拌摩擦焊的搅拌头优化研究

文中针对搅拌摩擦焊，进行了搅拌头的形状选择，建立了搅拌头优化的数学模型和约束条件，提出了基于遗传算法的搅拌头尺寸多目标优化算法，并进行了忧化实例分析，得到了合理的搅拌头尺寸参数。     

搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究

在MM-200型摩擦磨损试验机上分别试验了LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区和母材的摩擦磨损性能。通过测定失重量和摩擦力矩的波动情况,得出了在不同的工艺参数条件下试样的抗磨损性和摩擦因数的变化规律。实验结果表明：搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能明显优于母材,当正压力从50N增加到106N时,母材的失重量增加近6倍,母材的失重量在同等垂直载荷的情况下是焊缝的10-20倍。实验还表明搅拌摩擦焊接接头的摩擦力矩较小并且波动平缓。搅拌摩擦焊接头区域的磨损机制从磨粒磨损方式转变为疲劳磨损方式。     

静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化

为了解决非刚性支撑条件下传统搅拌头易陷入被焊接板材而导致焊接失败的问题,设计研发了静轴肩焊接结构。通过建立有限元仿真计算模型,并使用热红外成像仪对焊接表面温度进行实时监测,分析不同工艺参数下静轴肩摩擦搅拌焊焊接过程中的温度场变化情况。使用设计研发的静轴肩摩擦搅拌焊进行现场试验并对完成焊接表面无缺陷的焊缝与母材进行拉伸试验对比,检测其焊缝机械强度,并对断口进行微观组织分析。结果表明：在使用静轴肩搅拌头焊接过程中,产热量主要来源于搅拌针轴肩的摩擦生热和搅拌针端部的摩擦生热,搅拌针的侧面摩擦生热和静轴肩的摩擦生热占比较小;对产热量影响较大的是主轴压力和主轴转速,C轴转速对产热量影响不大;在主轴压力为2940～3430 N,主轴转速为1000 r/min,C轴转速为0.05 r/min的工艺参数下,完成焊接的焊缝表面光滑无飞边,内部无沟槽隧道缺陷,焊缝抗拉性能达到母材的71.5%左右;焊缝断口存在分层现象,靠近焊接表面的上层呈脆性断裂特性,下层呈延性断裂特性,与母材相比,焊缝试样的延伸率和抗拉强度均有所降低。     

镁锂合金搅拌摩擦焊及电子束焊研究

对一种新型α+β双相镁锂合金的搅拌摩擦焊及电子束焊进行了实验研究,为该合金在精密制造领域的应用提供参考。利用金相显微镜、扫描电镜和显微硬度测试探明接头显微组织和力学性能的演变规律和特点。结果表明,在合理的工艺参数下,镁锂合金搅拌摩擦焊接头焊核区α+β双相都得到了明显的细化,演变为等轴晶,且α相体积分数相对减少。在焊接速度为15 mm/s,聚焦电流为500 ~ 540 mA,焊接电流为8~10 mA时,5 mm厚镁锂合金电子束焊焊缝完全焊透,焊缝区域由细小的等轴晶组织组成,α相分布更加弥散,呈网状分布在β晶界上。两种工艺下焊缝区显微硬度(HV)较母材均提升了13左右。综上,采用搅拌摩擦焊及电子束焊均可实现外观成型、组织以及性能优良的镁锂合金连接。     

搅拌摩擦焊工艺在轨道车辆上的应用

搅拌摩擦焊接(FSW)技术从发明至今得到了迅速发展,株机公司率先将这项技术引入国内交通车辆铝合金轨道车辆制造领域。本文分析了搅拌摩擦焊在轨道车辆上应用的可行性和基本工艺方法,重点介绍了6XXX系列中空挤压型材FSW接头与MIG焊接头的金相结构和力学性能对比分析。     

将非标专用焊机改造成搅拌摩擦焊接设备的实践

基于一台普通非标的筒段焊接机床,结合搅拌摩擦的焊接工艺和机床的结构特点,将其改造成搅拌摩擦焊接机床;既利用了老旧机床,又为搅拌摩擦焊接的工艺研究提供了实践平台。     

焊接参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响

研究了搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金焊缝形貌的影响。研究结果表明：采用左螺纹圆柱搅拌头进行焊接时,形成的焊核关于搅拌针中心不对称,回撤边塑性金属迁移程度大于前进边;搅拌头旋转速度和轴肩下压量相同时,增大焊接速度可使回撤边塑性金属向上迁移程度减弱,使焊核宽度及焊核中心偏向回撤边距离减小;搅拌头旋转速度和焊接速度相同时,增大轴肩下压量可使焊核宽度和焊核中心偏向回撤边的距离增大,使回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。     

搅拌摩擦焊接过程数值仿真的完全热力耦合模型

提出了搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,以模拟AL6061-T6铝合金焊接构件在焊接过程中的温度场和材料变形情况,试验结果证明了该模型的有效性。计算结果显示,在焊接过程中,材料的最高温度低于熔点。在工件底面搅拌头后方存在一个低塑性应变区域,这是由搅拌摩擦焊接材料的特有流动形式所决定的。在工件上表面塑性应变的分布与试验中观测到焊接构件表面的环状纹理相似。     

6061铝合金盒体的搅拌摩擦封装温度场研究

为明确航空电子元件盒搅拌摩擦封装过程中的温度场分布,建立了相应的温度数值模型,并在此基础上研究了不同加工参数下温度场的变化规律。结果表明:盒体上整体温度存在累积效果,焊缝峰值温度随时间增加;搅拌摩擦封装热影响区和作用范围远小于激光焊接,峰值温度更低;相比搅拌摩擦平板对接,盒体封装热源不对称性更加明显、侧壁前进侧温度更高、变化梯度更小。