高强铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及变形的热力耦合模拟

针对航空领域中常用的7B04高强铝合金,基于剪切摩擦生热理论,建立了适用于薄板搅拌摩擦焊(FSW)过程的自适应热源模型,利用有限元软件MSC.Marc建立了FSW过程的热力耦合有限元模型,并通过子程序二次开发,将建立的热源模型载入到有限元模型中,对7B04铝合金薄板的FSW过程进行瞬态热力耦合模拟。预测并分析了FSW过程中铝合金板材内部的温度分布与演化、焊接接头附近区域的残余应力分布及板材的最终变形情况,通过开展FSW工艺试验从温度场和残余应力两方面对模型的可靠性和模拟结果的准确性进行了验证。此外,利用经过验证的有限元模型对搅拌头机械载荷在残余应力和变形中的影响作用进行了深入分析。     

薄板铝合金搅拌摩擦焊接头变形情况分析

采用数值模拟的方法对薄板铝合金搅拌摩擦焊接头的变形特征进行分析,并与实际接头的变形情况进行对比.结果表明,薄板铝合金搅拌摩擦焊的接头的变形成非对称形式,大变形区域主要出现在焊缝的前进侧,这种非对称变形主要是由于搅拌头对工件直接施加的机械力造成的.焊缝两侧固定点上的变形特征显示,后退侧在焊接过程中会出现剧烈波动,表明后退侧的稳定性低于前进侧.接头应力分布特征显示高应力区出现在焊缝的结束位置,x-y方向的剪切应力是影响终接头应力分布的主要原因.     

铝合金平板搅拌摩擦焊接应力变形分析

针对6056-T6铝合金平板进行搅拌摩擦焊接和试板变形检测试验.并用数值方法对试板变形进行模拟,考察了模拟温度、应力场分布和试板变形情况,对试验和模拟温度、变形进行比较.结果表明,在文中条件下,沿焊缝长度方向试板产生下挠,最大变形量6.3 mm;沿试板宽度方向试板相对发生上拱,最大变形量4.5 mm,模拟与实测变形趋势非常吻合.纵向残余应力在焊缝中心线两侧非对称性分布,前进侧大于回转侧.     

搅拌头机械载荷在搅拌摩擦焊接中的作用的数值分析

利用数值模拟技术分析搅拌头机械载荷在焊接过程中的作用,通过对比只考虑热载荷,考虑热载荷和搅拌头的下压力,综合考虑热载荷、搅拌头下压力和工作扭矩三种条件下的应力,应变和变形,结果发现,搅拌头下压力使焊后残余应力值大幅下降;搅拌头的工作扭矩是焊后残余应力、应变不对称分布的重要影响因素;并且搅拌头机械载荷使得薄板焊后残余变形的模式发生了完全相反的变化,由不考虑搅拌头载荷时的马鞍状变成了反马鞍状.     

薄板7075铝合金搅拌摩擦焊三维有限元数值模拟

薄板7075高强度铝合金在经过搅拌摩擦焊接后,存在不同程度的焊后残余变形,对精度要求较高的航空结构件的制造和装配带来了困难.本文通过建立4mm薄板7075铝合金搅拌摩擦焊热源模型,利用ANSYS对搅拌摩擦焊接过程中的温度场和应力应变场进行热机耦合数值分析,解释了薄板铝合金搅拌摩擦焊的温度场和表面残余应力的分布.采用古典摩擦理论建立合适的热源模型,将搅拌头的机械载荷和压板的压力考虑到模型当中.分析结果表明,此数值模拟对研究薄板高强度铝合金的搅拌摩擦焊具有一定的借鉴意义.     

7022铝合金搅拌摩擦焊变形有限元分析

为了探究搅拌摩擦焊焊接变形规律,利用ANSYS有限元软件,建立了7022铝合金搅拌摩擦焊的数值模型,通过该仿真模型获得了搅拌头转速和进给速度对变形的影响.结果表明,高的搅拌头转速和低的进给速度会产生较大变形,并且搅拌头转速时变形的影响更显著.最后,通过搅拌摩擦焊试验和变形检测试验结果均表明焊件边角呈向上翘曲状态,焊板的...     

铝合金搅拌摩擦焊接数值模拟技术的研究进展

数值模拟技术是研究铝合金材料搅拌摩擦焊接成形的重要新兴手段,被应用于研究搅拌摩擦焊的温度场、流场及残余应力分布等。从热-力模型建立与模拟分析等方面详细论述了搅拌摩擦焊数值模拟技术的最新国内外研究进展,并指出了其目前存在的问题及发展方向。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布

采用小孔法对3 mm厚2024-T4铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行研究.为了衡量钻孔引入应变对结果的影响,测量了退火2024铝合金板钻孔产生的应变,将其作为附加应变对焊接试件上测得的应变结果进行修正.结果表明,在试验条件下得到的焊接接头的残余应力以纵向应力为主,横向应力相对很小;纵向高应力区集中在轴肩作用区域,呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧,在轴肩作用区域之外应力值迅速降低,在距焊缝中心较远的区域转变为压应力;纵向残余应力峰值为164.5 MPa.分析认为,机械搅拌和焊接温度场的叠加作用造成焊缝两侧纵向残余应力的不对称分布.     

2024-T4铝合金薄板超声辅助搅拌摩擦焊温度场数值模拟

以2024-T4铝合金为研究对象,利用有限元软件MSC.Marc建立了UAFSW和FSW模型,对比分析其温度场,研究超声对FSW温度分布的影响,探索合适的UAFSW工艺参数范围。结果表明:在同等条件下,UAFSW模型峰值温度高于FSW,说明超声的加入有温度补偿作用;超声的加入增大了焊接工艺窗口,提高了焊接效率。     

三维搅拌摩擦焊接过程数值模拟

将搅拌摩擦焊接过程中材料的流动看作是层流、粘性、非牛顿流体绕过旋转的圆柱体,并基于流体力学理论,建立了三维搅拌摩擦焊缝金属塑性流动的数值分析模型.计算结果表明,在焊缝上部表面附近,由于搅拌头轴肩的影响,材料流动比较混乱,发生多次绕流现象;焊缝下部材料流动规律性较明显:只有很少一部分靠近搅拌头探针的材料在焊接过程中受到探针的作用而发生变形和流动,在大多数的模拟条件下,探针直径范围内的材料仅仅在回撤边一侧沿旋转方向绕过探针.焊缝中部具有底部和上部材料的流动特点,是探针和轴肩共同影响的结果.采用"标记嵌入技术"对焊缝金属流动进行可视化研究,试验结果与模拟结果进行了验证,模拟结果能很好地预测塑性金属流动趋势.     

NUMERICAL ANALYSIS ON THE RESIDUAL DISTORTION OF Al ALLOY SHEET AFTER FRICTION STIR WELDING

大尺寸6056铝合金薄板经过搅拌摩擦焊接实验后出现了严重的面外变形,虽然变形程度小于熔化焊结果, 但已经影响到被焊薄 板的装配和使用.为详细研究和预测铝合金薄板在搅拌摩擦焊后的残余变形, 以焊接实验条件为基础, 建立了搅拌摩擦焊接三维有限元 热力耦合分析模型. 模型中涉及了利用搅拌头工作转矩计算热输入量、工件和卡具之间的接触热传导、随温度变化的材料模型, 以及综合 考虑搅拌头机械作用等工作.利用该模型可以得到不对称的纵向残余应力结果, 残余变形的趋势在整块板上都与实验结果相同, 而且变形量和实验测量值之间的误差在20%以内.     

2014铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷分析

采用搅拌摩擦焊方法对8mm厚的2014铝合金进行了焊接，分析了接头缺陷的种类及形成原因。研究结果表明：搅拌头形状及焊接工艺参数对接头缺陷的形成具有重要影响；缺陷主要有孔洞、裂纹、飞边和沟槽四种；焊接缺陷的产生是由于在搅拌摩擦焊接过程中焊缝金属经历了不同的热机过程所致，过热或者塑性材料流动不足都会导致焊接缺陷的形成。     

接触模型对搅拌摩擦焊接数值模拟的影响

在完全热力耦合搅拌摩擦焊接数值模型中采用两种接触模型--经典的Coulomb接触模型和修正的Coulomb接触模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程,以分析不同接触模型对搅拌摩擦焊接过程数值模拟的影响.结果表明,对于低转速的搅拌摩擦焊接,两种模型的预测结果区别不大;但是对于高转速,由于界面摩擦剪切应力没有上限,采用经典的Coulomb接触模型无法模拟,需采用修正的Coulomb接触模型.搅拌头转速的增加不会改变搅拌摩擦焊接技术固态连接的本质.当采用高转速时,焊接构件上、下表面的变形趋于均匀.有利于得到均匀的显微结构.     

搅拌摩擦焊及其研究现状

搅拌摩擦焊是20世纪90年代初发明的一种固相连接技术，可以焊接通常 熔焊方法难以焊接的铝合金、钛合金等，并且具有一系列独特的优点，介绍了搅拌摩擦焊的工艺过程，分析了搅拌摩擦焊的特点、焊缝组织和性能以及影响搅拌摩擦焊的因素，综述了搅拌摩擦焊的国内外研究现状。     

搅拌摩擦焊接参数对ZK60镁合金接头微观组织和力学性能的影响

采用搅拌摩擦焊接方法对6 mm厚的挤压态ZK60镁合金板材进行焊接.在广泛的焊接参数(600-1200 r/min的旋转速率和50-200 mm/min的焊接速度)下,均得到了高质量的焊接接头.在焊接工具的搅拌和摩擦热的联合作用下,在焊核区形成了细小、均匀的再结晶晶粒,同时MgZn2粒子被破碎并大部分固溶入镁基体.对于ZK60镁合金,MgZn2粒子的弥散强化作用高于晶粒细化的作用,因而焊核区的硬度低于母材,拉伸时接头在焊核区发生断裂.在低热输入焊接参数(≤800 r/min)下,随焊接参数的变化,焊核区晶粒尺寸、焊接接头的抗拉和屈服强度及延伸率变化较小.在高热输入焊接参数(1200 r/min)下,焊核区晶粒明显变大,接头的抗拉和屈服强度略有下降.对焊接接头进行人工时效后,不同热输入条件下得到的焊接接头的强度和延伸率都有明显提高.     

搅拌摩擦焊中动态再结晶及硬度分布的数值模拟

使用率相关弹粘塑性本构模型模拟了搅拌摩擦焊接过程,并着重研究了过程参数对搅拌摩擦焊接动态再结晶过程以及搅拌区内材料硬度的影响．结果表明,在搅拌区内焊接构件上、下表面沿垂直于焊缝方向的硬度分布规律不同．焊接构件顶部材料的硬度分布符合实验得到的结果,即焊缝中心线附近材料硬度较低,热力影响区外材料硬度逐渐升高并最终达到母材的硬度;但是在焊接构件下表面并不显示这一硬度分布规律．搅拌区内材料的硬度与搅拌头转速无明显关系,但随焊速的增加而增加．焊接构件中部材料的晶粒尺寸大于焊接构件底部材料的晶粒尺寸,且搅拌区内晶粒尺寸随搅拌头转速的增加趋于均匀．     

塑料板的搅拌摩擦焊工艺研究

主要对塑料板的搅拌摩擦焊工艺进行了探索,研究了主要的工艺参数（包括搅拌头的形状、搅拌头的旋转速度、焊接速度、轴肩下压量和主轴倾角）对塑料焊缝成形的影响,并对焊后成形较好的试样进行了力学性能试验和焊缝横截面的宏观分析.结果表明,当工艺参数选择合适时,可以得到光滑、美观和无缺陷的焊缝,接头的抗拉强度可达到母材的90%以上.     

铜板搅拌摩擦焊接工艺优化

搅拌摩擦焊(FSW)是近几年发展起来的新型摩擦焊接技术。铝合金搅拌摩擦焊接已成为国内外研究的热点，但对铜及其合金搅拌摩擦焊接的研究尚不多见。通过大量试验分析，优化了铜板搅拌摩擦焊接工艺。研究表明：工业纯铜具有良好的搅拌摩擦焊接性能，优化工艺可获得强度超过母材的搅拌摩擦焊接接头。     

搅拌摩擦焊焊缝材料塑性流变研究概述

搅拌摩擦焊焊缝金属塑性流变直接关系到焊缝组织形成，是决定焊缝质量的关键。介绍了目前搅拌摩擦焊焊缝金属的塑性流变研究现状，从试验和计算机模拟两个方面分别加以介绍。