材料流动对连续驱动摩擦焊飞边形成的影响

在建立了45钢环形结构件连续驱动摩擦焊的二维热力耦合有限元模型的基础上,研究了焊接过程中的温度场与材料流动对飞边形成的影响规律.结果表明,在摩擦阶段,材料主要沿轴向流动,而径向流动基本上为0;在顶锻阶段,在大的轴向顶锻压力的挤压作用下,摩擦面边缘及其附近的材料主要沿径向向摩擦面外流动并形成飞边,且飞边的尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加.同时,增加旋转频率以及轴向顶锻压力会导致飞边尺寸与弯曲程度的增加;基于飞边形貌给出了45钢环节结构件连续驱动摩擦焊的合理焊接工艺参数.     

钢管径向摩擦焊温度场数值模拟

采用ABAQUS有限元软件,基于传热学及弹塑性力学有限元法,建立了径向摩擦焊接过程的二维轴对称、热力耦合及非耦合有限元计算模型.采用网格重划分技术模拟了径向摩擦焊接过程中焊接接头的温度场分布.结果表明,模拟出的接头飞边形貌与实际结果吻合良好.在二级摩擦阶段,摩擦界面由摩擦生成的热量与飞边形成带走的热量以及热传导散失的热量达到动态平衡,界面温度稳定在1320℃以下.在三级摩擦阶段,由于高温金属层被迅速挤出,界面温度迅速下降.通过分析金相组织,得出接头热循环过程.接头温度分布的模拟结果与实际结果吻合良好.     

Study on deformation and microstructure characterizations of mild steel joints by continuous drive friction welding

Macro-deformation characteristics of continuous drive friction welded mild steel joints were examined by using one deformable workpiece (objective) and the other undeformable one (rigid). The microstructure evolution and hardness change across the joint were studied. The results show that the axial shortening and radial increment of joints increase with increasing the friction time at 1 200rpm. The cementite particles of pearlites in the weld center are uniformly distributed on the ferrite matrix, while the cementites of the pearlite in the thermal-mechanically affected zone are broken and discontinuously dispersed in the pearlite. The hardness decreases rapidly from the weld center to the parent metal under the coupled effects of heat and deformation during the rapid heating and cooling processes.     

纯钛TA2线性摩擦焊接过程温度场模拟

基于有限元软件ABAQUS,建立纯钛TA2线性摩擦焊接过程的二维有限元模型,在频率35 Hz、振幅2.5 mm、摩擦压力50 MPa、焊接时间4 s的工艺参数下,分析纯钛TA2线性摩擦焊接温度场升温过程及冷却过程的温度场演变。结果表明:在升温过程中,摩擦焊接初始阶段界面最高温度在1 s之内迅速上升,随后焊接界面温度形成准稳态平台并且接头轴向缩短量开始线性增加。在冷却初始阶段,焊接界面温度下降明显。随着界面温度进一步降低,由于飞边热量回流作用,整个焊接界面上可以明显看到界面中心向外温度逐渐升高的趋势。     

基于特征点测量的径向摩擦焊接温度场分布

介绍了半自然热电偶法测温原理,并对所选用的半自然热电偶进行了标定,线性度良好.采用自主研发的径向摩擦焊机进行径向摩擦焊接工艺试验.以摩擦焊接过程特点为依据,选择恰当的测温仪和热电偶.采用半自然热电偶对径向摩擦焊接过程中摩擦界面中心点温度进行了全过程测量;采用K型热电偶对管体侧距界面中线点纵向距离为1,2,3,6 mm的位置进行了温度测量.摩擦界面升温迅速,存在明显的温度恒定即稳定摩擦阶段.随着距摩擦界面纵向距离的增加,升温速率逐渐降低,升温时间逐渐增长.焊接过程结束后,温度逐渐趋于均匀化.     

Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头热力演变

采用热电偶—蓝牙技术测量了Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头特征点的温度,并研究接头温度与组织演变的关系. 结果表明,各特征点温度均存在一定程度的滞后现象;沿工件径向, 2/3R区温度最高;沿工件轴向,摩擦界面处温度最高;旋转工件的温度略低于移动工件. 在热力耦合作用下,接头焊合区形成细小的等轴晶粒,热力影响区晶粒被不同程度拉长,呈塑性流线.从轴心到外径动态再结晶区的宽度增加,晶粒粗化,而与其相邻的热力影响区径向塑性流动的趋势减小. 此外,与旋转端相比,移动端接头具有较高的峰值温度和再结晶峰值宽度,所对应的焊合区晶粒也较为粗大.     

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。     

Numerical analysis of thermal process in continuous drive radial friction welding

A heat source model for radial friction welding was proposed, which was determined by friction pressure, friction coefficient, material properties and extrusion speed of material. A 3 D model was established to analyze the continuous drive radial friction welding temperature field of 45 steel pipe. The influences of friction pressure, friction time and rotation speed on the temperature of the friction interface were analyzed. The results showed that the temperature on the friction inter face rapidly rose to a peak temperature in initial friction stage and kept constant in the stable friction stage. Welding parameters of friction pressure, friction time and rotation speed had few influences on the peak temperature, while the increase of friction pressure and rotation speed could shorten the time to reach the peak temperature.     

汽车轮毂搅拌摩擦焊的数值模拟

利用ANSYS软件对其搅拌摩擦焊过程的温度场进行了分析,结果表明,搅拌摩擦焊过程的最高温度为570℃,位于轴肩与工件的接触面上,热源中心温度场分布形状为圆环形,高温由圆环面向周围逐渐扩散降低。数值模拟与试验得到的熔池轮廓较为相似,焊缝熔池形状为杯锥状,说明车轮毂搅拌摩擦焊的有限元模拟过程较为合理。     

钢管径向摩擦搭接焊加载力数值模拟

采用ABAQUS软件,以45钢为径向环,对钢管径向摩擦焊在假设变形速率前提下分析焊接界面温度场和径向环的加载力情况.计算采用了Johnson-cook幂硬化弹塑性模型,并考虑材料热物性与摩擦系数随温度变化.结果表明,在不考虑径向环与夹具之间传热的前提下,在焊接界面形成了以夹具体为中心的椭圆状温度梯度分布和以夹具体空隙为中心的条带状温度梯度分布,两处的最高温度达到1 260℃和1 050℃的前提下得到了加载力曲线.为了简化焊接工艺过程将加载力曲线人为拟合为定值三段加压过程,重新代入模型反复修正计算使界面温度场和径向环变形过程与焊接过程吻合良好.     

线性摩擦焊接头通电热处理的温度场模拟

基于电流生热理论,使用ABAQUS软件对TC4钛合金线性摩擦焊接头的直接通电热处理过程进行了模拟,得出了不同电流下温度场的分布云图以及特征点的温度变化曲线。为验证模拟的准确性,在电阻点焊机电源下对线性摩擦焊接头进行了通电热处理,并运用红外设备对热处理过程中接头表面温度场进行了测量。通过模拟与试验对比,发现二者吻合性较好,说明该模型可正确预测通电热处理温度场,为合理选取通电热处理参数提供理论依据。     

2219铝合金搅拌摩擦焊温度场的三维实体耦合数值模拟

为更贴近实际的模拟搅拌摩擦焊焊接过程中复杂的热力行为,试验通过建立三维搅拌摩擦焊过程数学模型,采用三维实体耦合的有限元方法来分析2219铝合金搅拌摩擦焊热过程和温度场分布.结果表明,搅拌摩擦焊焊缝的温度场梯度呈现上密下疏,前密后疏的分布状态,最高温度位于后退侧的搅拌针与轴肩的过渡区,焊缝后退边的温度高于前进边,搅拌针底部温度超过2219铝合金的再结晶温度,可确保对接接头根部形成紧密焊缝,模拟结果为研究搅拌摩擦焊的机理和优化搅拌摩擦焊焊接工艺提供了支持.     

实现装配焊接的双主轴摩擦焊机的研究

根据微型汽车传动轴轴管叉焊接总成的相位精度和长度精度要求,结合摩擦焊工艺特征,研究设计了一种双主轴相位摩擦焊机。该焊机可同时完成两道焊缝,实现了轴管叉焊接总成的装配焊接。通过小批量焊接试验和对焊件的综合考核,验证了所设计制造的双主轴相位摩擦焊机在实现轴管叉焊接总成装配焊接的精度和稳定性,既降低了成本又提高了效率。     

TC4/T2连续驱动摩擦焊工艺及接头组织与性能

采用连续驱动摩擦焊实现了TC4/T2异种金属之间的焊接. 结果表明,热物理性能差异显著的TC4和T2异种金属之间连续驱动摩擦焊,宜采用强规范工艺条件,即采用较大的焊接压力,较短的焊接时间;TC4/T2连续驱动摩擦焊头形成非对称飞边,摩擦压力过小,焊接热输入不足,难以形成规则的飞边形态;采用较短的I级摩擦焊接时间,可以形成紧密的TC4/T2冶金结合界面,并形成一定程度的机械咬合. TC4/T2连续驱动摩擦焊最佳工艺参数为:Ⅰ级加压、Ⅱ级加压和顶锻压力在试样表面产生的压强分别为1.4,1.8和2.1 MPa,Ⅰ级摩擦焊接时间为5 s. 采用最佳焊接工艺参数,TC4/T2连续驱动摩擦焊接头抗拉强度达到母材T2的96.7%.     

铝合金搅拌摩擦焊接参数对温度场的影响

检测搅拌摩擦焊过程中铝合金薄板上各特征点在不同焊接参数下的温度变化规律，研究搅拌摩擦焊接参数对焊接过程温度场的影响。试验结果表明，在搅拌头旋转速度一定时，各特征点的温度峰值随焊接速度的增加而降低；在焊接速度一定时，特征点的温度峰值随搅拌头旋转速度的增加而升高。     

摩擦焊在航空领域的应用

随着民用和军用飞机性能及使用要求不断提高,航空零部件需要满足结构轻量化、高可靠性、长寿命、经济性好等要求。焊接技术作为航空工业不可或缺的材料加工技术,在航空零部件的研制与生产中,发挥着举足轻重的作用。惯性摩擦焊、搅拌摩擦焊和线性摩擦焊作为典型的摩擦焊接工艺方法,凭借优良的技术优势,在航空发动机转子组件、飞机结构件、整体叶盘等航空零部件加工制造中得到成功应用。结果表明,随着摩擦焊接技术的进步与发展,摩擦焊接技术将有效促进航空飞机减重,进一步提高航空飞机性能。     

7A04铝合金/304不锈钢连续驱动摩擦焊及焊后热处理

对7A04铝合金与304不锈钢异种材料进行了摩擦焊接试验,并对接头进行了不同温度、不同时间的退火处理.对接头飞边形貌、抗拉强度、断口形貌、金相组织、显微硬度等进行对比分析.结果表明,采用合适的工艺参数能获得形貌良好的飞边和更好的抗拉强度,焊合区的铝合金组织发生动态再结晶,晶粒细化,组织比基材更加致密,结合面两边互有元素扩散,焊合区显微硬度高于基材.经400℃×3 h退火处理的接头其抗拉强度提升明显,界面形成了不同的金属间化合物,扩散层厚度略有增加,显微硬度值有所下降.     

基于ANSYS的旋转电弧焊接温度场的数值模拟

旋转电弧焊接是一个电弧边旋转边移动的焊接过程,可用来进行焊缝跟踪,可使焊接质量良好。本文以高斯分布热源作为焊接热源,初步分析了旋转电弧传感器旋转半径、旋转频率、旋转方向、电弧电压、焊接电流及焊接速度的改变对焊接熔池的影响,从而为合理选择焊接工艺参数和保证焊缝质量提供了理论依据。     

考虑金属逐步填充的多道焊温度场数值模拟

采用“单元死活”有限元技术自行编制了控制焊接过程金属填充的子程序,利用Marc有限元软件以低碳钢为例进行了三维多道焊温度场的数值模拟。实现了模拟过程中焊接材料的逐步填充,温度场计算结果与试验测量值十分吻合。将计算结果与未考虑材料逐步填充的多道焊计算结果进行了比较。结果表明,是否考虑金属逐步填充对多道焊计算结果影响很大,在多道焊次数较多时不可忽略。为更准确的多道焊应力分析打下了基础。