电塑性摩擦焊接过程的动态再结晶数值模拟

摩擦焊过程中界面的塑性变形是摩擦焊的核心，中以宇航工程常用的构件材料LY12合金为研究对象，建立了电场条件下棒状试件摩擦焊的热力耦合塑性成形有限元分析模型，获得了焊接过程中焊接界面处材料的温度场、应变场、应力场、电场强度等物理参量场，并应用Yada模型建立了LY12合金摩擦焊接过程显微组织的演化模型，计算了摩擦焊接过程动态再结晶区的分布及再结晶区晶粒的尺寸，并分析研究了上述场变量对电场条件下连续驱动摩擦焊成形工艺及成形件质量的影响。     

The Coupled FEM Analysis of the Transient Temperature Field During Inertia Friction Welding of GH4169 Alloy

The inertia friction welding process is a non-linear process because of the interaction between the temperature field and the material properties as well as the friction force. A thermo-mechanical coupled finite element model is established to simulate the temperature field of this process. The transient temperature distribution during the inertia friction welding process of two similar workpieces of GH4169 alloy is calculated. The region of the circular cross-section of the workpiece is divided into a number of four-nodded isoparametric elements. In this model, the temperature dependent thermal properties, time dependent heat inputs, contact condition of welding interface, and deformation of the flash were considered. At the same time, the convection and radiation heat losses at the surface of the workpieces were also considered. A temperature data acquisition system was developed. The temperature at some position near the welding interface was measured using this system. The calculated temperature agrees well with the experimental data. The deformation of the flash and the factor affecting the temperature distribution at the welding interface are also discussed.     

基于CEL模型的搅拌摩擦焊接7055铝合金仿真模拟

基于耦合的欧拉—拉格朗日(CEL)模型,建立了高可靠性、高精度的搅拌摩擦焊7055铝合金热力耦合计算模型,开展了焊接工艺参数对7055铝合金焊接接头温度、等效应变以及缺陷预测结果的影响规律的研究,并分析和讨论了搅拌摩擦焊试验验证模拟结果的可靠性.7055铝合金搅拌摩擦焊CEL模型预测结果表明,温度和等效塑性应变与转速呈...     

Simulation of welding of 2A12-T4 aluminum alloy by different yield stress models

To investigate the effects of strain hardening, strain softening and dynamic balance behaviors of 2A12-T4 aluminum alloy on the welding residual plastic strain and residual stresses, the true stress-true strain curves at different temperature of certain material were used in the FEM modeling process. The simulation results show that little influence on the welding residual plastic strain and residual stresses was found as the strain hardening, strain softening and dynamic balance worked together.     

Effect of viscosity on material behavior in friction stir welding process

1 Introduction Friction stir welding(FSW) is a new solid-state joining process invented by TWI, in which joining of material is achieved without melting. The usual flaws such as slag-inclusions and porosity can be minimized or even can be eliminated in fr…     

摩擦焊接过程数值模拟技术研究进展

根据摩擦焊接过程数值模拟存在的主要难点,重点介绍了摩擦焊接热输入、焊合区金属塑性变形、以及焊接过程主要参量场,如温度场、应力应变场有限元热力耦合分析的几种模型及其研究进展。文献研究表明,目前摩擦焊接过程物理参量场的数值模拟主要采用二维、非稳态、变物性模型。一般忽视辐射及对流换热。焊接界面上热流量可以根据扭矩曲线或摩擦系数分布曲线计算,热流分布采用均布或线性假设,近年来有关学者直接根据焊接材料的性能数据和设定的焊接规范参数进行摩擦焊接过程特征参量及相应物理参量场的模拟研究工作,并模拟了摩擦焊接过程的两种产热模型及其转化规律（摩擦初期的摩擦产热与摩擦后期的塑性变形产热）。     

耗材摩擦焊接过程热力耦合分析

以AA6061铝合金为试验对象,基于ABAQUS/Explicit建立耗材摩擦焊三维完全热力耦合模型,分析温度场、等效塑性变形场、轴向缩短量和飞边形状,结果表明,焊接温度低于材料熔点为固相连接,焊接过程塑性金属大量挤出,形成蘑菇头形状的飞边,飞边温度处于480 ℃左右;在稳定焊接阶段,前进侧温度高于返回侧,在垂直于焊缝方向上,焊棒高温区大于焊板高温区,温度分布的不均使得涂层边缘处结合不良. 高温区域趋于稳定后,轴向缩短量和时间呈近线性关系,焊接结束时轴向缩短量为7.5 mm,高温区和塑性变形区都集中在摩擦界面附近的堆积区域.     

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。     

薄壁GH3536尾喷管组焊变形控制工艺优化仿真

基于SYSWELD仿真平台,利用热-弹-塑性有限元法和固有应变法进行仿真优化,研究焊接工艺对薄壁GH3536尾喷管组件焊接变形的影响。首先进行平板对接工艺试验和热-弹-塑性有限元仿真计算,对焊接热源模型进行校核,获得不同焊接工艺下典型接头的平均固有应变和修正的材料热膨胀系数。建立全尺寸三维尾喷管组件的焊接有限元模型,基于固有应变理论的弹性有限元方法,利用平板对接获得的材料热膨胀系数,计算焊接工艺参数与焊接约束对尾喷管组件焊接变形的影响。结果表明,焊接电流为40A时,薄壁GH3536平板对接焊接头固有应变值最小为0.00660mm,此时尾喷管焊后变形也最小,为推荐使用的最优焊接工艺。在焊缝、进气口和排气口同时进行夹持,尾喷管焊后变形最小,整体变形1.39mm。     

连续驱动摩擦焊接过程的三维与二维数值模拟对比分析

建立了连续驱动摩擦焊接过程的三维和二维刚塑性热力耦合模型.在三维模型中考虑了摩擦面上环向摩擦力对摩擦焊接过程的影响.计算了GH4169合金棒材连续驱动摩擦焊接过程的温度场、应力场及变形场.将三维模型计算结果和二维轴对称模型的计算结果及试验结果进行综合对比分析.研究发现,三维模型和二维轴对称模型的温度场计算结果相差不大,并且都和试验结果吻合得很好;但与二维轴对称模型相比,三维模型由于考虑了环向摩擦力,其等效应力计算值更大,也更合理,其飞边形状和轴向缩短量的计算结果更接近试验结果.三维模型能更好地模拟摩擦焊接过程.     

TiAl合金与GH3039高温合金的摩擦焊接

对TiAl合金与GH3039高温合金异种材料进行了摩擦焊接工艺试验. 基于接头的拉伸性能,初步优化了焊接工艺参数. 采用扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)对焊接接头组织、焊合区成分变化及接头连接机理进行了分析. 结果表明,TiAl合金与GH3039高温合金两种异种材料摩擦焊接具有可行性,在摩擦焊接过程中热力耦合的作用下,GH3039侧热力影响区塑性变形较大,TiAl合金侧热力影响区变形较小;TiAl合金与GH3039高温合金摩擦焊接连接界面两侧的合金元素发生了扩散,形成了复杂的层状金属间化合物组织结构;断于TiAl合金母材的焊接接头断口属于典型的脆性断口.     

铝-钢堆焊-搅拌摩擦复合焊接头特性分析

针对铝-钢异种金属焊接缺陷多、效率低等问题,提出一种堆焊-搅拌摩擦复合焊接方法,即采用旁路分流电弧焊先在钢板上堆敷铝合金,再采用搅拌摩擦焊进行铝合金堆敷层和铝合金母材的搭接焊,得到在铝-铝界面呈现典型搅拌摩擦焊“洋葱圆环”状结合的铝-铝-钢复合过渡接头. 针对典型焊缝进行铝-钢异种金属接头的组织结构分析.结果表明,搅拌摩擦焊可以有效消除铝合金堆敷层中存在的气孔等缺陷,并实现金属界面层的减薄. 对铝钢结合界面进行EDS扫描,在堆敷铝合金侧可以观察到呈树枝状的Fe相扩散和呈网状的不均匀Si相扩散,结合XRD(X-ray diffraction)分析其主要成分为Al₅Fe₂Zn_0.4和Al₇Fe₃Si_0.3. 对接头试样进行拉伸试验,拉伸接头断裂在铝合金母材处,达到铝合金母材强度的100%,符合接头应用的力学指标.     

异种合金惯性摩擦焊的研究现状

文中针对钢与其他合金、铝合金与其他合金、钛合金与其他合金、高温合金与其他合金的惯性摩擦焊的研究现状进行了阐述。主要对惯性摩擦焊的工艺参数选取、端面设计、焊前预热、焊后热处理等研究内容进行了综述。并对异种合金惯性摩擦焊存在的问题进行了分析总结。结果表明,采用合理选择工艺参数、设计不同形状的端面、添加中间过渡层、焊前预热处理、焊后热处理等方法获得强度与母材相当、焊接质量较好的接头。建议在后续的研究中,结合数值模拟对异种合金惯性摩擦焊的工艺参数及端面设计进行优化,对接头的元素分布及新相形成的种类与数量进行调控,对焊接界面金属的流动行为进行深入研究,以获得具有综合性能较好的异种合金惯性摩擦焊接头。     

Thermomechanical deformation behaviour of DH36 steel during friction stir welding by experimental validation and modelling

Friction stir welding is a solid state thermomechanical deformation process from which the plasticisation behaviour of the stirred material can be evaluated through the study of flow stress evolution. Flow stress data also supporting the development of a local microstructural numerical model have been generated. Hot compression testing of DH36 steel has been performed at a temperature range of 700–1100°C and strain rates from 10^?3 to 10² s^?1 to study the alloy’s thermomechanical deformation behaviour in conditions that simulate the actual friction stir welding process. It has been found that the evolution of flow stress is significantly affected by the test temperature and deformation rate. The material’s constitutive equation and constants have been calculated after analysis of these data. Preliminary numerical analysis results are in good agreement with experimental observations.     

焊接参数对摩擦塞焊焊接区域温度场的影响

为了研究焊接参数对摩擦塞焊焊接区域温度场的影响,建立了摩擦塞焊焊接的产热模型,并进行摩擦塞焊焊接工艺试验。通过理论分析得出焊接过程中的产热量与焊接参数的关系,试验对理论分析结果进行验证,并深入探讨焊接参数对焊接区域温度场的影响。结果表明:焊接进给速度的改变影响焊接过程中的焊接压力大小,从而影响摩擦塞焊焊接初始阶段的产热,进而影响焊接区域温度场;较高的焊接转速提高摩擦界面材料的升温速率,提高材料塑化,避免焊接缺陷;应选择适当的焊接摩擦时间,尽量匹配较高的转速以缩短焊接摩擦时间。     

基于固有应变法的地铁侧墙FSW焊接变形仿真

针对地铁列车铝合金地铁侧墙焊后变形问题,基于顺序热力耦合法和固有应变法,建立了完整的6005A-T6铝合金地铁侧墙搅拌摩擦焊有限元模型,并对其焊接变形进行仿真预测。首先,运用组合热源和顺序热力耦合方法,对侧墙局部结构进行三维热弹塑性有限元分析,提取结果并计算固有应变;然后采用固有应变法对全尺寸地铁铝合金侧墙模型进行弹塑性计算,获得地铁侧墙结构的焊接变形结果,并与实际测量值进行对比分析。结果表明,模拟计算得到的焊接变形趋势与实验结果相同,且模拟变形量与实验测量值之间的误差在20%以内,为地铁侧墙的实际生产提供了理论依据。     

搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式

采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟,并详细分析了搅拌摩擦焊接过程中的材料流动形式.结果表明,模型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料流动和温度分布情况.通过对搅拌头周围材料流动的研究,分析了搅拌摩擦焊接过程中飞边现象形成的主要原因.研究了搅拌摩擦焊接构件不同厚度上材料的三维流动形式,通过与二维情况的比较证实,二维情况下的材料流动数值模拟结果对应于搅拌摩擦焊接构件靠近下表面部分的材料流动情况.从等效塑性应变的分布也能证实搅拌头轴肩对靠近上表面的材料行为具有明显影响,而对下表面附近材料行为影响较弱,从而说明二维情况对应三维情况靠近下表面的部分.     

Numerical Prediction of Intermetallic Compounds Thickness in Friction Stir Welding of Dissimilar Aluminum/Magnesium Alloys

An atomic diffusion model is developed to predict the thickness of intermetallic compounds (IMCs) at the interface of aluminum/magnesium alloys in dissimilar friction stir welding.Both the temperature and the strain rate associated with dislocation density at the checking point are used to determine the diffusion coefficients.The variations of the diffusion coefficients and the thickness of IMCs are quantitatively analyzed at selected characteristic time instants during welding process.It is found that the dislocation density can increase the diffusion coefficient and plays a dominant role in the IMCs formation during the plastic deformation stage.Especially in magnesium alloy and Al12Mg17,the diffusion coefficient is increased by two orders of magnitude or even nearly three orders of magnitude by considering the dislocation density.The temperature is the main influencing factor after the end of plastic deformation.The model is validated by comparing the predicted thickness of IMCs with the experimentally measured results.     

影响搅拌摩擦焊金属塑性流动的因素

针对LF6/LD10、12／T2研究了搅拌摩擦焊(FSW)的金属塑性流动。通过工艺试验，分析了影响FSW金属塑性流动的因素。研究结果表明，被焊材料反复动态再结晶是其持续塑跬流动的前提条件。影响金属塑性流动的因素主要有两个——材料的变形温度和变形速率。搅拌工具使材料保持高应变速率，并对材料快速加热，致使层错能很高的铝发生动态再结晶，促使其稳定流动。保持一定的焊接温度有利于金属动态软化，促进塑性流动，实现焊接。     

镁铝异种合金搅拌摩擦焊综述

铝镁合金搅拌摩擦焊中峰值温度超过Al12Mg17和Al3Mg2形成的共晶温度,两种金属间化合物的形成不可避免。通过将镁合金置于前进侧、搅拌针偏向镁合金,采用液氮或水下搅拌摩擦焊,加入中间层过渡金属等方法可降低搅拌摩擦焊过程中的热输入,有效减少焊核区金属间化合物的数量。采用锥形螺纹搅拌针对接、配合直径约为3.5倍板厚的内凹型轴肩可提供适当的热输入,促进材料塑性流动,增加两种材料相互交融的程度,提高接头抗拉强度;超声辅助搅拌摩擦焊技术可破坏脆性界面层进而提高接头强度。