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.     

搅拌针偏心距对焊缝金属塑性流动行为的影响

采用搅拌针偏心距分别为0.1,0.2,0.3,0.4 mm搅拌头对叠层进行焊接试验,分析其对焊缝金属塑性流动行为影响.结果表明,焊缝由轴肩区、紊流区、焊核区及挤压区组成,其中紊流区为焊核区和轴肩区挤压金属形成的结果,前进侧挤压区金属变形尺寸明显大于返回侧.随偏心距增加,焊核区面积、宽度及挤压区标示材料向上迁移高度先增大后减小,前进侧标示材料向上迁移距离大于返回侧.由0.2 mm偏心距搅拌头获得焊核区面积和标示材料向上迁移距离最大.但焊核区宽度最大焊缝由0.3 mm偏心距搅拌头获得.根据焊缝金属塑性流动形态,提出搅拌针波动式挤压物理模型.     

搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响

采用不同表面形状的搅拌针对20 mm厚7075铝板进行焊接,分析其对焊缝金属沿轴向迁移的影响.结果表明,使用圆锥形搅拌针焊接时,随着旋转速度增加,焊核区面积、塑化金属沿两边向上迁移高度先增大后减小,疏松区面积则先减小后增大.同一焊缝中焊核区内塑化金属沿前进边向上迁移高度大于返回边.采用375 r/min旋转速度焊接时获得的焊核区面积、塑化金属向上迁移高度最大,疏松区面积最小.而使用三角平面搅拌针焊接时,瞬时空腔的出现增强了沿焊缝水平方向上"抽吸-挤压"效应,同时改善塑化金属沿轴向上的流动性,导致疏松缺陷消失.     

搅拌针形状对搭接焊缝界面迁移的影响

采用搅拌针长度相同而形状不同的搅拌头对3mm厚的LY12CZ铝合金进行了搅拌摩擦焊搭接试验。结果表明,表面带有螺纹的搅拌针使板材间的搭接界面在厚度方向上发生迁移,左螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向下迁移,在搅拌针端部积聚,挤压周边金属向上运动,导致搭接界面向上迁移;右螺纹使邻近搅拌针的塑化金属向上迁移,在搅拌针根部积聚并受轴肩作用,挤压周边金属向下运动,导致搭接界面向下迁移。若搅拌针表面是光滑的,搭接界面在厚度方向上的迁移减小,但返回边界面向焊缝中心延伸的程度增大。     

搅拌摩擦焊接头形成过程的二维观察与分析

用紫铜作标示材料，进行了LF6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，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，在焊缝的前进边，材料既向搅拌头前方流动也向搅拌头后方流动；在焊缝的返回边，材料只是向搅拌头后方流动，且有部分材料进入前进边。根据试验观察结果，建立了焊缝金属在水平面上的二维挤压模型，并用运动分解、合成的方法研究了探针周围热塑性材料的流动趋势，模拟了标示材料在焊接过程中的流动状态，模型能较好地解释试验所观察到的现象。     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊接头中洋葱环形貌的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同螺纹旋向、不同轴肩直径的搅拌头进行了搅拌摩擦焊试验。结果表明,搅拌针表面为左旋螺纹时,洋葱环中心出现在焊缝的中下部,搅拌针表面为右旋螺纹时,洋葱环中心出则现在焊缝的上部;洋葱环花纹是由搅拌针附近的塑性金属在搅拌针表面螺纹的驱动下沿厚度方向迁移并在搅拌针端部或根部形成挤压区所造成的;轴肩较大的搅拌头有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,洋葱环更易于在厚度方向上扩张。     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响

采用镶嵌异种材料作为标识材料的方法,用不同搅拌针形状的搅拌头,进行了搅拌摩擦焊试验.结果表明,搅拌针形状影响焊缝塑化金属流动的行为,导致焊缝截面形貌发生变化.搅拌针表面的反螺纹使搅拌针周围塑化金属向下流动,迫使搅拌针端部周边金属向上运动,焊核中心处于焊缝横截面下部;正螺纹使搅拌针周围塑化金属向上流动,迫使轴肩下方及周边金属向下运动,焊核中心处于焊缝横截面上部.改变搅拌针形状及长度,可以改变搅拌针下方及附近区域塑化金属的流动形态,从而改变焊缝底部的成形及包铝层进入焊缝的深度.     

搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响

采用四种不同形状搅拌针的搅拌头进行搅拌摩擦焊试验,研究了搅拌针形状对LF6铝合金搅拌摩擦焊焊缝S曲线形成的影响.结果表明:通过改变搅拌针形状可以改变焊缝塑化金属的流动行为及结合面材料的破碎程度,从而影响S曲线的形成.当焊接参数一定时,在光面搅拌针中,圆锥光面搅拌针较圆柱光面搅拌针更易形成S曲线;表面带螺纹搅拌针中,圆柱右旋螺纹搅拌针较圆柱左旋螺纹搅拌针更易形成S曲线.搅拌针形状不变,降低焊接速度,可以改善焊缝塑化金属流动性,使结合面材料的分布不连续,S曲线逐渐消失.     

搅拌摩擦焊接焊缝金属的超塑性行为

通过对防锈铝搅拌摩擦焊接头焊缝金属的高温拉伸试验,探讨搅拌摩擦焊接头焊缝金属的超塑性行为,以期优化焊接参数来使材料达到超塑性状态,形成良好的接头.结果表明:在450℃,夹头速度为0.6 mm/min的情况下得到的焊缝金属的最高延伸率为91%.从应力应变曲线初步计算得到m值为0.534.可以初步判定,在450℃附近,有超塑性现象.     

Numerical simulations on material flow behaviors in whole process of friction stir welding

A finite element model based on solid mechanics was developed with ABAQUS to study the material flow in whole process of friction stir welding (FSW), with the technique of tracer particles. Simulation results indicate that the flow pattern of the tracer particles around the pin is spiral movement. There are very different flow patterns at the upper and lower parts of the weld. The material on the upper surface has the spiral downward movement that is affected by the shoulder and the lower material has the spiral upward movement that is affected by the pin. The velocity of the material flow on the periphery of the stirring pin is higher than that at the bottom of the stirring pin. The material can be rotated with a stirring pin a few times, agreeing well with the previous experimental observation by tungsten tracer particles.     

准稳定摩擦阶段焊合区金属的塑性流动方程

根据位错理论、能量守恒原理及量纲一致性,推导出了金属材料在持续动态再结晶过程中四个最主要热变形参数σ,ε,ｄｓ,Ｔ之间的物理关系式。它适用于一般热变形过程及超塑性变形过程,使得热加工过程中几个常用的经验公式从理论上实现了归一化。在此基础上,通过测量ＧＨ２１３２材料连续驱动摩擦焊接过程中的各个热变形参量,建立了ＧＨ２１３２合金材料在准稳定摩擦阶段焊合区金属的流动方程。结果表明焊合区金属在该阶段应力应     

钛合金搅拌摩擦焊接三维流场数值模拟

基于粘性流体力学理论，采用计算流体力学软件FLUENT。建立了4mm厚钛合金板搅拌摩擦焊接过程焊缝金属塑性流动的三维有限元模型。对所建模型作水平和垂直切片，得到了模型不同位置上材料的流动状况。并对其进行了分析。结果表示：焊缝金属前进侧向前流动的趋势强于后退侧向后流动的趋势，且整体流动成规则的层流，但在焊件表层金属流动区的边缘部分，材料流动有明显的紊流现象。模拟流场结果同实验结果基本吻合。     

搅拌摩擦固相修复技术研究现状及发展方向

金属结构件在生产和使用过程中易出现裂纹、孔洞和沟槽等缺陷,搅拌摩擦焊具有热输入量小、焊接变形小和焊接效率高等优点,在金属材料修复领域具有巨大的发展潜力。首先总结了搅拌摩擦焊修复的修复性能和特点。由于搅拌摩擦焊修复仅能修复裂纹及体积较小的沟槽等缺陷,对于其他类型缺陷难以有效修复。针对搅拌摩擦焊修复的局限性,介绍了基于搅拌摩擦焊原理的搅拌摩擦点焊修复和搅拌摩擦增材修复。搅拌摩擦点焊修复分为回填式搅拌摩擦点焊修复、填充搅拌摩擦焊修复和摩擦塞焊修复,主要用于匙孔等孔洞类缺陷的修复。阐述了各类搅拌摩擦点焊修复的工作原理、修复接头性能和强化方式,并对比分析了各类工艺的不足之处。搅拌摩擦增材修复分为复合增材修复和增材搅拌摩擦沉积修复,主要用于大面积、大体积类表面缺陷的修复,论述了各类搅拌摩擦增材修复的作用机制、沉积层性能和工艺特点。最后对搅拌摩擦点焊修复和搅拌摩擦增材修复存在的问题及未来发展方向进行了展望。     

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。     

5083铝合金搅拌摩擦焊研究

试验研究了3.5mm厚铝合金5083-H321搅拌摩擦焊工艺,分析了焊接参数对焊缝成型、力学性能和金相组织的影响。结果表明,5083-H321铝合金具有良好的搅拌摩擦焊接性能,采用优化的工艺参数可以使焊接接头的抗拉强度达到母材的93.6%,正弯和背弯角度均可达到180°。     

5083铝合金搅拌摩擦焊研究

试验研究了3.5mm厚铝合金5083-H321搅拌摩擦焊工艺,分析了焊接参数对焊缝成型、力学性能和金相组织的影响.结果表明,5083-H321铝合金具有良好的搅拌摩擦焊接性能,采用优化的工艺参数可以使焊接接头的抗拉强度达到母材的93.6%,正弯和背弯角度均可达到180°.