铝合金双轴肩搅拌摩擦焊过程材料流动行为

由于下轴肩的引入,双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)过程中的材料流动行为较常规搅拌摩擦焊更为剧烈和复杂,显著影响接头力学性能.以2219铝合金为研究对象,基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了BT-FSW过程三维热力耦合模型,并利用示踪粒子技术分析了焊接过程中材料的流动行为.结果表明,BT-FSW过程中的材料流动存在不同时性,...     

搅拌摩擦焊塑性金属流动行为研究

通过观测铝合金焊缝接头显微组织形貌与塑性金属组织的流线形,并结合对搅拌过程中搅拌针周围塑性金属的受力情况分析,初步构建了搅拌摩擦焊塑性金属流动行为模型,揭示了焊接缺陷的产生原因和性能薄弱区域。研究结果表明,水平方向上将塑性金属的流动迁移过程包括5个同时进行的过程,其中前进侧切削金属较少,在后退侧,搅拌针焊接前进方向和旋转方向相反,切削金属量达到最大值。厚度方向上由于轴肩的顶锻作用,上部塑性金属向下迁移,在焊缝中部堆积形成洋葱环。实际流动过程是水平和厚度方向流动行为的叠加。     

搅拌摩擦焊待焊界面消失模型

提出了一种搅拌摩擦焊接过程中待焊界面消失并形成焊缝的二维模型,阐述了搅拌摩擦焊接过程中待焊界面在焊接热、焊接作用力及搅拌作用下形成焊缝的过程,并把焊缝划分成晶粒长大区、界面氧化区、待焊界面消失区、塑性金属流动区、S线等区域,同时描述了待焊界面冶金熔合后在搅拌摩擦焊缝内部的分布形态.该模型对晶粒长大区、待焊界面消失区、S线3个特定区域进行了试验验证和说明.结果表明,待焊界面在搅拌针后退侧的前方区域已经达到冶金熔合状态,并在搅拌针的搅拌作用下扭曲并进入焊缝形成S线特征.     

搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型

针对搅拌摩擦焊稳态焊接过程中搅拌头与焊缝材料出现相对滑动的现象,提出对该物理现象进行描述的数学模型,并应用COMSOL Multiphysics有限元软件建立基于流体力学的搅拌摩擦焊黏滞滑动三维流场数值模型,对6061-T6铝合金进行搅拌摩擦焊接模拟。模拟结果表明,采用该黏滞滑动数学模型获得了与实际吻合的温度场和速度场,验证了该黏滞滑动模型的有效性。     

5052铝合金搅拌摩擦焊的材料流动数值模拟

采用Abaqus软件,基于ALE(任意拉格朗日-欧拉)方法建立5052铝合金搅拌摩擦焊的有限元模型,利用粒子追踪手段对5052铝合金搅拌摩擦焊接过程中的材料流动进行模拟.结果表明:前进侧材料随轴肩转动进入后退侧,而后退侧材料却不会进入前进侧;上表层材料和下表层材料不会离开各自表面层,而后退侧的中间层材料在轴肩带动下进入...     

搅拌摩擦焊接中的接触界面材料行为分析

通过有限元模型,模拟不同工况下的搅拌摩擦焊接过程发现,焊接构件的中下部搅拌针,与焊接构件接触面上材料流动的速度以及厚度方向上的位置无关,但是靠近上表面的材料流动速度明显增加,而且靠近上表面的材料流动速度与厚度方向上的坐标均呈近似的线性关系。搅拌头轴肩下方的区域是材料流动的主要区域,在轴肩外边缘区域,材料流动速度迅速降低。焊接温度和材料流动速度随搅拌头转速的增加而增加,滑动系数随搅拌头转速的增加而增加。预热时间的变化,对无缺陷搅拌摩擦焊接过程的影响较小。     

搅拌摩擦焊对接面附近材料流变行为研究

搅拌摩擦焊(FSW)过程中的对接面附近工件材料流动变形行为与许多缺陷的形成密切相关。通过开展搅拌摩擦焊试验,研究对接面附近材料在FSW过程中的流动与变形行为。针对AA2024-T3铝合金进行研究,通过采用预制氧化膜为标示材料的方法进行标示,并采用不同的焊接参数进行FSW试验。结果表明,预制氧化膜在焊接过程中完全破碎,在焊缝中以氧化铝颗粒的形式呈有规律的“S线”分布,并且随着搅拌头转速的上升,宏观上“S线”分布宽度降低,局部上氧化铝颗粒尺寸越大,分布越紧密。标示材料在接头中的沉积特征体现出,在较低的搅拌头转速下,对接面附近工件材料在FSW过程中经历了剧烈的应变,而随着搅拌头转速的提高,总应变量反而减小。     

铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接传热与材料流动行为

基于耦合欧拉-拉格朗日有限元法数值模拟了铝合金5052与高强钢DP590搅拌摩擦搭接过程中的温度场演变和材料流动行为。结果表明,有限元预测温度场和焊缝变形轮廓与实验测量结果吻合良好。当移动速度保持300 mm/min恒定不变时,随着转速由500 r/min增至1 000 r/min,搅拌区峰值温度位置由前进侧的轴肩后方的铝合金表面转移至搅拌针底部与钢搅拌区的界面,峰值温度由545℃增加至635℃;在焊接过程中,前进侧温度始终高于后退侧温度,与转速无关。采用示踪粒子法研究材料迁移轨迹,发现前进侧铝合金从更靠近搅拌针的内侧剪切层绕过搅拌针填埋在搅拌针前进侧后方,而后退侧铝合金主要迁移至搅拌针后退侧后方,迁移轨迹比较发散;搅拌针作用在铝/钢搭接面,驱使前进侧钢材料迁移至搅拌针后退侧后方,并在垂直方向上挤入上侧铝合金焊缝区。随着搅拌针转动,由前进侧迁移至后退侧的钢材料最终促使后退侧形成尺寸较大的钩状结构。相比于铝合金侧,转速的增加更为显著地加强了钢表面的材料流动。     

搅拌摩擦焊焊缝塑性金属流动的实验研究

用铝箔作为标示材料,进行了LY12铝合金的搅拌摩擦焊试验.焊后在与焊缝表面平行的截面上,观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹.结果表明,左旋螺纹探针搅拌头搅拌摩擦焊过程中,焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的.在焊缝上部,前进边的标示材料向前迁移,而返回边的标示材料绕过搅拌针向后迁移;在焊缝中下部,搅拌针周围出现塑性环.     

焊接工艺参数对2024铝合金搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动行为的影响

以轴肩端面为同心圆的带螺纹搅拌头为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立了三维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行了数值模拟,研究焊接工艺参数对模拟结果的影响。结果表明,在搅拌头附近区域材料的塑性流动剧烈,且轴肩附近材料的流动速度高于搅拌针边缘材料的流动速度;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动更剧烈,且高速流动的材料区域范围变大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

搅拌摩擦焊数值分析方法概述

数值分析方法在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中的应用越来越广泛.综述了在搅拌摩擦焊接头温度场和材料流动场研究中常用的计算流体力学(CFD)、任意拉格朗日-欧拉(ALE)、耦合欧拉-拉格朗日(CEL)三种数值分析模型.三种模型各有特点,计算流体力学模型(CFD)采用较早,但是该模型忽略了母材的硬化行为和从搅拌头上的...     

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.     

基于欧拉模型的搅拌摩擦焊接界面行为及产热数值

通过建立欧拉模型,研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌头-焊接工件接触面材料的流动规律以及热输入,确定了搅拌摩擦焊接中接触面滑移系数与搅拌头转速之间的关系式,发现接触面滑移系数随搅拌头转速的增加而降低。通过与已知试验数据的对比,验证了所建立公式和模型的正确性;进一步发现,塑性变形产热对搅拌摩擦焊接过程中的热贡献超过35%。     

异种材料及复合热源搅拌摩擦焊

在对接和搭接方式中,异种材料搅拌摩擦焊相较于同种材料分别具有一些额外的焊接参数,并且对搅拌头材料也有更苛刻的使用要求。总结近年来异种材料搅拌摩擦焊的研究现状,介绍异种材料搅拌摩擦焊过程中脆性金属间化合物的生成及其对焊接接头的力学性能产生的影响。从金属流动机理和数值模拟方面,研究金属间化合物的生成和成长规律,给出针对金属间化合物可能的解决方法。针对高熔点焊材,介绍复合热源搅拌摩擦焊技术、常用的辅助热源以及复合热源搅拌摩擦焊在异种材料搅拌摩擦焊方面的优点和研究的不足之处。     

异种材料的搅拌摩擦焊技术

进行了铝合金与工业纯铜、铝合金与低碳钢的搅拌摩擦焊接实验.实际焊接了对接接头、丁字接头、搭接接头,观察了焊接接头组织,测量了接头性能.结果表明,用搅拌摩擦焊方法代替熔化焊方法焊接异种材料,可以获得组织致密、无缺陷的接头,接头强度较高,且工艺适应性、结构适应性较好,焊接工艺参数、各组元在焊缝金属中的比例等对形成良好的焊缝有重要的影响.     

双道焊对搅拌摩擦焊搭接界面及接头性能的影响

用搅拌针长度为3.6 mm的圆柱左螺纹和右螺纹搅拌头对3 mm厚的LY12（CZ）铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验,研究了双道焊搭接界面的迁移及接头的性能.结果表明,搅拌头顺时针旋转,采用左螺纹搅拌头时,焊核两侧的搭接界面向上迁移;采用右螺纹搅拌头时,搭接界面向下迁移.单道焊时,由于受拉边总存在迁移界面,导致有效承载板厚...     

1060／3003铝合金搅拌摩擦焊焊接接头材料流动规律研究

搅拌摩擦焊中，材料的流动状态对焊件性能有很大影响。对5mm厚的1060／3003铝合金板材进行了搅拌摩擦焊连接。通过对1060／3003铝合金焊件焊核区腐蚀，研究了焊核区金属的流动形态。分析了不同工艺参数下垂直截面和水平截面的金属流动形态。结果表明：工参数对搅拌摩擦焊焊核区金属的流动形态有很大影响。通过使用较高的工具旋转速度和合适的焊接速度可以获得稳定、质量良好的搅拌摩擦焊接头。     

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。     

搅拌摩擦焊的界面层组织及性能

通过对5083铝合金进行搅拌摩擦加工,采用SEM及硬度计对Al/Al2O3界面层的微观组织及力学性能进行表征。结果表明,随着搅拌摩擦加工道次的增加,Al/Al2O3界面层的显微组织均匀,加工区的硬度得到提高,同时Al2O3颗粒在Al基体中的分布更加均匀。