Al/Mg异种合金搅拌摩擦焊的材料流动可视化和数值模拟研究（英文）

采用切片法研究了搅拌摩擦焊接(FSW)接头的材料流动。通过对接头的三维重建,实现了流动材料的可视化,讨论了接头材料的流动模式和缺陷产生的原因。基于计算流体力学(CFD)和多相流理论,建立了FSW过程中铝合金/镁合金材料流动的三维数学模型。通过在数值模型中加入分布的示踪粒子,对不同连接参数下的材料流动模式进行分析和预测。结果表明:接头上部材料流动强烈,材料整体向前进侧迁移,接头中部前进侧镁合金向接头前部迁移,暂时形成的空腔由后退侧迁移来的铝合金填充。当不恰当的工艺参数使材料流动不充分时,未被完全填充的空腔会形成孔洞缺陷。接头材料整体主要以层流为主。在满足材料流动热输入需要时,接头材料的流动模式基本不发生改变,在高转速过热条件下,材料的迁移距离和混合模式会发生改变,2种材料围绕搅拌头以层流模式多次越过对接线并充分混合,同时在后退侧产生紊流现象。     

2219铝合金搅拌摩擦焊“弱连接”缺陷的制备及表征

搅拌摩擦焊焊缝金属的塑性流动与工件表面状态对焊缝的微观组织演化及焊缝缺陷形成有着十分重要的影响,采用"示踪铜箔"探索了可视化示踪材料紫铜箔在搅拌摩擦焊接头内的迁移行为。为进一步分析和证明搅拌摩擦焊接头"弱连接"缺陷形成机制,进行了2219铝合金(阳极化处理)的搅拌摩擦焊试验。结果表明,焊件表面未清理的氧化膜在搅拌摩擦接头内形成了一条始于后退侧、而在前进侧取向发生逆向延伸的黑色流动迹线,即"S"线弱连接缺陷。     

7B52铝合金叠层复合材料搅拌摩擦焊过程的金属流动

7B52铝合金叠层复合材料(7B52 aluminum laminated composite,ALC)是一种新型材料,由两种7XXX系铝合金组成,本文研究了7B52 ALC搅拌摩擦焊接接头的微观组织。研究结果表明:与完整的洋葱环结构不同,7B52ALC搅拌摩擦焊接头仅仅在焊核区前进侧发现了类似洋葱环的鳞片状结构,而焊核区后退侧无明显图案且叠层结构保持完整。鳞片状结构是由洋葱环叠加和材料横向流动形成的横条纹共同组成的。本文提出了一种搅拌摩擦焊金属流动猜想,即焊核区前进侧和后退侧金属流动方式不同,横条纹是由部分向后移动填充搅拌针后方空腔的螺纹内塑性金属组成的。     

铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究进展

在铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,焊接接头中存在着织构的演变过程,这对焊接时材料的塑性变形与流动行为、接头性能和接头残余应力的检测均产生重要影响。综述了铝合金板中的织构及其在FSW中的演变过程,概括介绍同种铝合金、异种铝合金以及铝合金与其他材料异种搅拌摩擦焊接接头织构的国内外研究现状;指出铝合金搅拌摩擦焊接接头织构研究存在的不足,并展望铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究的发展方向。     

薄板铝合金搅拌摩擦焊接全过程金属流动行为研究

基于固体力学理论,建立6061薄板铝合金搅拌摩擦焊接(FSW)全过程热力耦合模型,利用任意拉格朗日-欧拉(ALE)网格自适应技术和质点跟踪技术模拟研究FSW全过程金属流动行为,揭示搅拌区金属材料的迁移特征。结果表明,搅拌区周围材料主要以旋转绕流及层流的形式向搅拌头后方迁移。上层金属有向下螺旋运动趋势,中部金属有先向上螺旋运动而后向下螺旋运动行为,在靠近焊件底部,金属材料则主要以层流的形式向搅拌头后方迁移。     

铝/镁搅拌摩擦焊异质接头热-力场仿真研究

铝合金和镁合金在多材料结构中的混合应用可有效实现轻量化效果,以搅拌摩擦焊为代表的新型固相焊接技术在铝/镁异种合金连接中的应用是焊接领域的研究热点。文中基于扭矩热源模型,利用Abaqus软件分析了搅拌头转速对6061铝合金/AZ31镁合金搅拌摩擦焊搭接接头热-力场的影响。结果表明:受搅拌头产热和热传导散热的共同作用,接头表面和横截面温度场分别呈椭圆状和碗状,焊缝前进侧温度高于后退侧。接头残余应力主要由纵向应力和横向应力构成,轴肩边缘同时受热应力和机械应力的作用而具有应力峰值。此外,接头峰值温度和残余应力值均随搅拌头转速的提高表现出不同程度的增大。相关研究结果可为铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺参数的设计与优化提供理论指导。     

搅拌摩擦焊接偏心挤压流动模型

提出了一种偏心挤压流动模型,该模型认为搅拌头对软化材料的偏心挤压作用是形成接头的主要因素.基于该模型,设计并进行了偏心搅拌摩擦焊接试验.结果表明,搅拌摩擦焊接过程中,接头是由搅拌头偏心挤压材料形成的;搅拌头的偏心量越大,形成的接头核心区也将越大;在搅拌针附近的金属流动将使焊接接头形成在行进方向的层状结构;在接头表面将形成弧形纹,形成的弧形纹不是沿板材对接面对称的,而是偏向后退侧的,弧纹在后退侧形成的弧纹夹角比前进侧形成的弧纹夹角大;行进方向的层状结构和接头表面的弧形纹有对应关系.     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形及失效行为

使用搅拌摩擦焊（FSW）设备对厚度为6mm的7075高强度铝合金平板进行对接试验。设计出双径试样,采用液压伺服试验机对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行拉伸试验,并借助奥林巴斯显微镜和扫描电镜观察接头的变形及失效过程。结果表明,7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中出现双颈缩现象,颈缩首先在后退侧出现,随着加载的进行,前进侧也出现颈缩现象。微裂纹在接头中的前进侧和后退侧颈缩区内晶界处由微孔洞聚集产生。随着应变的增加,微孔洞数量明显增加,当应变足够大时,微孔洞连接形成微裂纹。微裂纹沿着与加载方向成45°向焊核区进行扩展,导致接头断裂,断裂位置位于接头中的焊核区,断裂方式为剪切断裂混合着微孔聚集型断裂。     

铅合金搅拌摩擦焊接接头的组织与性能

本研究采用搅拌摩擦焊接(FSW)技术成功实现了8mm厚铅合金板材的高速焊接,得到了表面美观、无宏观焊接缺陷的FSW接头。结果表明:高转速可以促进前进侧与后退侧材料的充分混合,避免弱结合的产生;焊速加快,在高温下停留的时间短,接头软化程度得到抑制,因此在高转速和高焊速条件下能得到性能更好的铅合金FSW接头。在转速800 r/min、焊速800 mm/min工艺条件下,得到了抗拉强度为34 MPa的铅合金搅拌摩擦焊接接头,其强度达到母材的95%;其均匀伸长率为2.5%,断裂伸长率为7%,其均匀伸长率比母材的要大。     

铝合金搅拌摩擦焊接缺陷分析及工艺优化

以7075铝合金为研究对象,采用自设计的2.5°内凹轴肩三斜面圆锥搅拌头进行搅拌摩擦焊接试验,研究了下压量,搅拌头旋转速度,焊接速度等不同焊接工艺参数对接头质量的影响。通过分析焊接参数、摩擦产热以及材料塑性流动之间的相互影响,揭示缺陷的形成机理及其对焊接接头性能的影响,并提出了相关的预防与工艺优化方案,以降低7075铝合金搅拌摩擦焊接缺陷的形成机率。     

搅拌摩擦焊接材料流动模型及在缺陷预测中的应用

为了研究搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接过程的影响机理,基于DEFORM-3D软件建立了带倾角的FSW三维热-力耦合模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程中焊缝区材料的三维运动轨迹,对比分析了有无倾角时FSW过程中材料流动行为的差异. 结果表明,前进侧材料绕搅拌针旋转后大部分沉积于搅拌头后方前进侧区域,返回侧的材料大部分被搅拌头旋推至后方而沉积;采用倾角可以增强搅拌头后方材料从返回侧运动至前进侧区间的流动性,同时还有利于增强材料在厚度方向的运动能力. 根据模拟的材料流动行为对接头缺陷进行了趋势预测,预测结果与试验结果吻合良好.     

Friction stir welding of co-cast aluminium clad sheet

The effects of welding parameters on material consolidation are examined during friction stir butt welding of 2 mm Al 5083 alloy aluminium sheet with a surface cladding of Al 3025 alloy, which was co-cast from the melt. The influence of welding parameters on joint consolidation is investigated when tool revolutions per minute, travel speed and penetration depth were varied. It was found that modifying the pin of the welding tool to have a two-flat profile improves material consolidation and avoids defect formation during welding, and optimum welding parameters involve a combination of high tool rotation speed and travel speed. Optical and electron microscopy revealed that the integrity of the surface cladding layer could be maintained during friction stir welding while avoiding defect formation within the stir zone of the weld. The tensile strength of the joint was ～58% of the base material due to softening within the stir zone.     

Analysis of tool geometry in dissimilar Al alloy friction stir welds using optical microscopy and serial sectioning

Abstract

The influence of tool geometry on material flow during friction stir welding of dissimilar aluminium alloys is investigated. Sheets of Al 2024 and Al 6061 alloys are friction stir welded in lap and butt configurations using different welding conditions. Optical microscopy with serial sectioning is utilised to systematically study material flow when small variations are made to the tool pin. It is shown that three flat features on the pin impose vertical material flow which can promote intermixing. When a threaded tool is used, the material flow and formation of the intermixed region depends on the orientation of the base materials, since the differences in viscosity of material on the advancing versus retreating side of the tool will inhibit intermixing. Decreasing the travel speed will promote intermixing by increasing the residence time to compensate for the differences in material viscosity that otherwise limit intermixing.     

异种材料搅拌摩擦焊接头特点与脆性本征研究

对镁合金与铝合金进行了搅拌摩擦焊连接试验.从接头金相形貌中可以看出,铝合金与镁合金的晶粒以河流状汇合的方式充分交织在一起,其排布具有明显的梯度特征.当这种混合的交织状态过渡到热机械影响区时可以发现,随着速度梯度的变化,混合的均匀程度明显减弱.接头附近存在大量的脆性金属间化合物,导致力学性能显著下降.从接头断口的扫描电镜形貌可以看出,单侧启裂的拉伸断口一侧出现少量韧窝带和大量的变形带断裂特征.     

基于CEL方法的Al/Mg搅拌摩擦焊温度场及材料混合流动研究

本文基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法建立5A06铝合金与AZ31B镁合金对接搅拌摩擦焊（FSW）的全热力耦合数值模型,并结合试验测试对Al/Mg异种金属FSW过程的温度场及材料混合流动特征进行研究。数值模拟所得特征点的温度循环曲线、焊缝表面形貌以及横截面上异种材料的混合分布状态均与试验结果吻合良好。在此基础上,采用质点追踪法对材料混合流动行为进行了深入分析。结果显示,高温区集中分布在轴肩下方区域,返回侧(Mg侧)温度较低温度梯度较大。焊缝区上表面材料熔合线偏向于前进侧(Al侧)。搅拌针附近材料流动剧烈,前进侧和返回侧的大部分材料都较均匀地沉积于搅拌针后方。前进侧与返回侧材料在水平和竖直方向上的交叉混合流动,最终形成了两种材料“咬合式”的界面特征。     

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。     

3D visualization of the material flow in friction stir welding process

0IntroductionThe friction stir welding(FSW),a new solid-statewelding process invented by TWI in1991,is perhaps themost remarkable and potentially useful new welding tech-nique.In the welding process,the base metal doesn’tmelt,so great advantages can be a…     

铝合金搅拌摩擦焊物理场三维数值模拟

基于热物理模拟构建的2024-T3铝合金Arrhenius本构关系,使用Deform-3D软件建立了搅拌摩擦焊三维热-力耦合模型,模拟焊接过程温度、应力、应变等物理场在塑性变形区的分布状态. 结果表明,各物理场受焊速和转速的影响均呈不对称分布,其中材料在前进侧表现为压应力状态,在后退侧出现受拉应力状态;此外,在前进侧材料分别向焊缝表面和根部流动,当材料由后退侧向前进侧的流动速度小于在厚度方向上的流动速度时,在焊缝内产生缺陷,并通过试验验证了这一现象.     

2219-T87铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚2219-T87铝合金进行了焊接.对接头的宏观形貌、微观组织、显微硬度及断口形貌进行了分析.结果表明,焊核区为细小的等轴晶粒,晶粒尺寸远小于母材;热机影响区发生了弯曲变形;热影响区组织出现了明显粗化.前进边热机影响区和焊核区形成明显分界线,后退边相对模糊.搅拌摩擦焊对接头各区域沉淀相分布形态有重要影响.接头室温拉伸强度可以达到母材的70%以上.沿焊缝横截面的显微硬度的分布显示,硬度最低点位于后退侧热影响区区域,断裂位置位于后退侧热影响区处,接头的断裂形式为韧性断裂.