钛合金线性摩擦焊接头动态再结晶规律研究

针对TC4/TC17异种钛合金进行了线性摩擦焊试验,利用光学显微镜与扫描电镜对焊接接头各区域的微观组织进行了分析,并采用透射电镜分析了钛合金线性摩擦焊接头焊合区的动态再结晶规律。结果表明:在焊接升温的过程中,TC4/TC17钛合金线性摩擦焊焊缝区已经达到β转变温度。在热和力的作用下,焊缝中心处金属发生动态再结晶,生成了细小的等轴晶粒。由于焊合区在共生晶粒形成之后又经历了强塑性变形,焊合区的晶粒内部产生了高密度的位错。位错运动形成亚晶界,焊合区形成亚晶粒,并以亚晶粒为形核核心,发生动态再结晶过程。     

GH2132摩擦焊接过程中焊接区金属的再结晶过程

采用在摩擦焊接过程中不同时刻停车迅速冷却的方法，研究了ＧＨ２１３２材料摩擦焊接过程中的动态及静态再结晶过程。通过回归分析，建立了动态再结晶晶粒尺寸与温度，应变速率之间的定量关系。     

GH4169惯性摩擦焊接过程动态再结晶组织演化的数值模拟

利用MSC.Marc的热力耦合弹塑性有限元模拟技术,建立了GH4169环形件惯性摩擦焊接过程的二维热力耦合有限元模型。考虑到惯性摩擦焊接过程中的温度变化,采用叠加原理对Na Y S建立的GH4169动态再结晶数学模型进行调整。借助MSC.Marc二次开发,将动态再结晶数学模型和有限元模型相结合,对惯性摩擦焊接过程中GH4169合金的动态再结晶组织演化进行数值模拟,得到了焊接过程中的动态再结晶分数和平均晶粒尺寸分布。对接头的宏观形貌和焊缝区的微观组织进行观察分析,发现模拟结果与实验结果吻合较好。     

线性摩擦焊过程数值模拟研究现状

线性摩擦焊是20世纪80年代出现的一种新型的固态焊接方法,主要用来焊接非圆截面的同种及异种金属结构材料,由于其具有一系列独特的优点,已成为航空发动机整体叶盘制造的关键技术。虽然关于线性摩檫焊的研宄已有文献报道,但是由于该过程的强烈热力耦合、快速大变形等特征,其界面结合机理和演变过程等问题还尚未揭示。因此,研究者尝试采用数值模拟方法来研究焊接过程中应力应变场、残余应力、温度场与变形等关键问题。文中主要综述了线性摩擦焊数值模拟的基础和近年来国内外的研究现状,最后展望了线性摩擦焊数值模拟的不足与发展前景,以期为今后研宄提供思路。     

搅拌摩擦焊搅拌区动态再结晶的数值模拟

采用元胞自动机方法,结合搅拌区微观组织的成型机理,建立了搅拌区的二维动态再结晶模型.模型综合考虑了动态回复、应变速率等的影响,并将微观变量位错密度与宏观加工参数应变速率之间建立了联系.模拟得到的搅拌区内部组织晶粒的最终分布及平均晶粒尺寸与实际结果基本符合.为通过工艺参数控制改善焊接件组织性能提供可靠依据.     

LY12铝合金摩擦焊接过程的电场效应

定量研究了外加强电场对LY12铝合金摩擦焊接头热影响区（HFZ）中动态再结晶区宽度与晶粒尺寸的影响，并初步探讨了其影响机制。实验结果表明，外加强电场使动态再结晶区晶粒细化、等轴性提高，超细等轴晶区亦加宽。此外，采用较高焊接压力时，电场的引入使焊接接头的动态再结晶区宽度增大10％－30％；采用中等摩擦压力施焊时，电场的作用不但使焊接接头动态再结晶区宽度明显增加，而且还影响其沿径向的分布形态，使近轴心线处的动态再结晶区宽度趋于均匀，可以推断，外加强电场可使摩擦焊接头更易发生动态再结晶，而且强电场使焊合区组织的细化与均匀化，有利于提高焊接接头性能。     

搅拌摩擦焊三维粘塑性热力耦合有限元数值模拟

针对搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)的特点,建立了基于固体力学的刚粘塑性热力耦合有限元方程,并采用网格局部加密自适应跟随技术对FSW过程进行数值模拟,获得了焊接过程的温度、应力、应变分布特征及金属流动规律,预测焊接过程中所产生的缺陷.结果表明,FSW过程中试件的温度分布不对称,应变沿板厚的方向分布不一致,焊缝区产生了剧烈的塑性变形,因此FSW是一个典型的三维剧烈的塑性变形过程,热塑性变形机制是焊接接头形成的主要机制.     

振动搅拌摩擦焊镁合金动态再结晶过程的模拟与实验研究

采用二维元胞自动机(CA)模型分析机械振动对AZ91合金在搅拌摩擦焊(FSW)过程中组织演变的影响.将模拟结果,即晶粒拓扑结构、粒度分布、平均晶粒度以及动态再结晶(DRX)分数与实测数据进行比较.结果显示,有限元分析结果与实验数据具有充分的相似性,CA方法可用于搅拌摩擦焊AZ91合金组织演变的分析.与FSW相比,振动搅...     

耗材摩擦焊接过程热力耦合分析

以AA6061铝合金为试验对象,基于ABAQUS/Explicit建立耗材摩擦焊三维完全热力耦合模型,分析温度场、等效塑性变形场、轴向缩短量和飞边形状,结果表明,焊接温度低于材料熔点为固相连接,焊接过程塑性金属大量挤出,形成蘑菇头形状的飞边,飞边温度处于480 ℃左右;在稳定焊接阶段,前进侧温度高于返回侧,在垂直于焊缝方向上,焊棒高温区大于焊板高温区,温度分布的不均使得涂层边缘处结合不良. 高温区域趋于稳定后,轴向缩短量和时间呈近线性关系,焊接结束时轴向缩短量为7.5 mm,高温区和塑性变形区都集中在摩擦界面附近的堆积区域.     

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．     

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.     

7050铝合金搅拌摩擦焊动态再结晶组织影响因素

进行了不同旋转频率和焊接速度下的7050铝合金搅拌摩擦焊试验,研究了搅拌头旋转频率和焊接速度对焊核区晶粒尺寸的影响．为进一步分析焊接参数影响焊核区晶粒尺寸的机理,进行了不同应变速率和变形温度下的等温压缩试验．分析了变形参数对动态再结晶的影响规律．结果表明,焊核区晶粒尺寸随搅拌头旋转频率的变化不大,随焊接速度的增加而减小．在发生完全动态再结晶的范围之内,再结晶晶粒尺寸随着lnZ值的增大而减小．焊接参数对z参数具有不同的影响规律,进而影响焊核区晶粒尺寸．     

Phase-field modelling of dynamic recrystallization process during friction stir welding of aluminium alloys

ABSTRACT

Numerical investigation on dynamic recrystallization in friction stir welds is of great significance to control the microstructure evolution and grains size in joints. The recrystallization and grain growth in the nugget centre of friction stir welded 6061 aluminium alloy are numerically simulated by combining the multiphase-field model with Kocks–Mecking dislocation model and employing the calculated temperature and strain rate variations with time in FSW process. The reliability of the model is verified by electron backscattered diffraction measurement results of grains size distribution at the same position. The specific reasons for different grain sizes under different levels of welding speed are quantitatively analysed. The ratios of recrystallization duration to deformation period and incubation period to deformation time are determined.     

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。     

电模拟惯性摩擦焊接技术

为适应摩擦焊接设备的发展,降低制造成本,在对惯性摩擦焊接过程运动学方程分析基础上,结合电模拟惯量技术,开发出了电模拟惯性摩擦焊接技术及设备. 结果表明,电模拟惯性摩擦焊接过程中各参数随时间的变化规律,以及惯量大小对焊接参数的影响规律,符合惯性摩擦焊接的一般规律. 相同惯量下,电模拟惯性摩擦焊接与机械惯量惯性摩擦焊接过程转速曲线变化趋势一致. 采用电模拟惯性摩擦焊接技术,所需惯量可以设定成大于系统基本惯量,也可以设定成等于或低于系统基本惯量,还可以补偿主轴机械摩擦阻力对焊接过程参数的影响.     

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。     

应变速率对金属动态再结晶影响的数值模拟

采用元胞自动机方法建立了多晶金属材料塑性加工过程动态再结晶的二维模型,模拟了动态回复、位错密度变化和动态再结晶的微观结构演化等一系列过程。利用该模型可得到晶粒形态及晶粒的取向和大小,模拟结果很好地描述了动态再结晶的生长动力学特征,并动态地再现了实验方法观察到的动态再结晶的微观组织特征。在该模型的基础上,分析了应变速率对动态再结晶过程,以及动态再结晶晶粒尺寸的影响。     

DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场研究

根据无匙孔搅拌摩擦点焊过程的特点,建立了简化的热输入数值模型,利用有限元分析软件ANSYS模拟1 mm DP600镀锌钢板和3 mm 6061铝合金板搭接无匙孔搅拌摩擦点焊过程中的瞬态温度场分布和各特征点的热循环曲线。通过模拟结果与热电偶测得的各特征点温度曲线的对比,发现随着焊接过程的进行,最高温度出现在DP600上表面轴肩2/3处;对比分析不同搅拌头转速下焊点区域温度分布的情况,得到转速对温度分布的影响规律,进而验证了热输入模型和模拟方法的正确性,为工艺实验参数的选取提供科学的依据。     

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.