基于热力耦合模型铝合金搅拌摩擦焊接顺序优化仿真分析

基于所建立的搅拌摩擦焊接过程热输入模型和热力耦合有限元分析模型,对带圆孔铝合金板的搅拌摩擦焊接顺序进行了有限元研究,并得到了焊接过程中不同焊接方案下的温度、瞬态应力变化曲线以及焊后残余变形。通过综合比较可以看出,从两边向中间焊的方案2优于从中间向两边焊的方案1和从左向右的顺序焊接的方案3。此外,有限元模型求解结果和实验测量数据具有相当好的吻合。     

搅拌摩擦焊接全过程热力耦合有限元模型

利用ALE网格自适应技术及相应边界条件处理,建立搅拌摩擦焊接全过程(下压阶段和稳定焊接阶段)热力耦合有限元模型。采用6061铝合金焊件验证模型。结果表明:整个焊接过程温度场最高温度在463℃左右,低于材料熔点;稳定焊接6s后,焊件后方横截面上等效塑性应变区近似呈"V"形分布,前进边侧变形程度较返回边侧剧烈,变形范围更大。     

搅拌摩擦焊温度场研究进展

自1991年英国焊接研究所(TWI)发明了搅拌摩擦焊(FSW)以来,许多学者对搅拌摩擦焊接过程中的温度场分布进行了大量的研究。随着人们对搅拌摩擦焊接物理机制的深入了解,描述其温度场分布的模型也越来越精确,由最初仅考虑摩擦产热,发展到综合考虑摩擦产热和材料塑性变形产热,近年来一些研究者更是尝试建立热力耦合的模型来描述其温度场分布。简要叙述了关于搅拌摩擦焊温度场研究的发展历程及研究现状。     

异种铝合金搅拌摩擦焊材料流动行为研究

采用异种铝合金交替排列的方法,研究了搅拌摩擦焊接过程中材料的变形和流动行为。结果表明:采用垂直焊缝交替排列的焊缝表面形成了两套弧纹,其中粗大弧纹是由于在焊接方向上两种铝合金交替排列而产生的周期性变化所致;受焊速和转速的影响,材料在前进侧流动剧烈且混合均匀,而后退侧因材料流动较弱仍与母材保持连续分布状态;由于材料塑性变形程度的差异,在轴肩影响区、搅拌针影响区和母材之间形成了明显的分界面。     

铝合金搅拌摩擦焊研究现状及应用

搅拌摩擦焊是由英国焊接研究所发明的一种固相连接技术,可以对熔化焊接性差的铝合金进行可靠的连接,又具有诸多优点。介绍了搅拌摩擦焊工艺过程,分析了搅拌摩擦焊技术目前存在的优缺点,综述了铝合金搅拌摩擦焊的国内外研究现状和应用情况,指出搅拌摩擦焊为现代铝合金制造业提供了新的连接方法。     

搅拌摩擦焊数值模拟的现状

自搅拌摩擦焊发明以来，对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展，但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向（温度场、流场和组织性能）的研究现状。     

CLAM 钢搅拌摩擦焊温度场有限元分析

通过Ansys Apdil参数化语言建立三维温度场模型,采用移动热源分步加载的方法,对CLAM钢在搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行模拟分析,结果表明,CLAM钢可以进行固态连接;搅拌摩擦过程中热能主要来自轴肩摩擦生热;焊接头四周的高温区域一直呈现出椭圆形,温度呈阶梯状分布。在板厚方向上,从上表面到下表面温度依次降低,呈等腰梯形分布。     

基于CEL方法的搅拌摩擦焊6061铝合金温度场研究

目的研究搅拌摩擦焊接过程中焊接件温度场分布规律及工具头旋转速度对焊接件温度升高和温度场分布的影响规律。方法基于耦合欧拉–拉格朗日（CEL）方法,采用Johnson–Cook本构模型、温度相关的热机械物理参数、经典库仑定律和质量缩放技术,建立搅拌摩擦焊三维热力耦合有限元模型,模拟6061铝合金在不同旋转速度下的搅拌摩擦焊接过程,并进行分析比较。通过侧边打孔将热电偶埋入焊件,从而获取工件特定采样点的温度数据,对模拟结果的准确性进行验证。结果 焊缝返回侧的温度高于前进侧,工具头后方温度高于前方;焊接区域的温度随着下扎深度的增加而升高;最高温度出现在下扎结束阶段,而焊接阶段最高温度略有下降并且保持稳定;当转速从500 r/min增大到1 000 r/min时,焊缝中心峰值温度从337.4℃升高到496.5℃。特定测温点的模拟温度与热电偶实测数据吻合较好,最大误差不超过20%。模拟焊缝与实际焊缝宏观相貌吻合良好,特别是焊缝返回侧的飞边。结论 高温区域主要分布在焊缝返回侧的工具头后方;工具头转速控制温度的变化,所有焊接阶段的温度随转速的增大而升高,且高温区域扩大。     

2024铝合金搅拌摩擦焊焊缝区疲劳过程中的温度演变

在转速300r/min、焊速60mm/min的参数下制备了8mm厚AA2024-O搅拌摩擦焊(FSW)接头,对母材与FSW接头进行组织观察及力学性能测试,并用红外热像仪记录疲劳过程中试样表面的温度变化.结果表明:FSW接头显示出了高梯度的组织结构不均匀性,具有较好的疲劳性能,前进侧热力影响区是其力学性能薄弱区;母材试样在循环载荷的作用下表面温度变化符合“三个阶段”的明显特征,而FSW接头表面温度在第一阶段与第三阶段的变化趋势与母材相似,在第二阶段呈下降趋势,焊核区与热力影响区晶粒通过不断的循环软化积累了大量的弹塑性应变能,使机械能向热能的转化率降低.     

2024铝合金搅拌摩擦焊接头塑性变形行为研究

为了研究搅拌摩擦焊卷焊管坯的力学性能及接头塑性变形行为,以5 mm厚的2024退火态铝合金搅拌摩擦焊板坯为对象,采用网格法测试接头塑性变形分布,用EBSD测量接头各区域晶粒尺寸及位相,并结合SEM观察接头第二相的分布,研究了接头力学性能、应变分布与微观组织之间的关系.研究表明:搅拌摩擦接头强度与母材等强,延伸率下降44%;接头前进侧距离焊缝中心8～17 mm的母材较早出现了应变的集中,局部应变可达23%,而焊核区和接头返回侧母材发生的变形较小,平均应变分别为3%和11%,各区域应变的不均匀主要是由于接头各区晶粒尺寸及位相的差异造成的,导致接头整体延伸率的下降.     

静止轴肩对FSW温度与应力影响的数值模拟

目的研究外部辅助静止轴肩对搅拌摩擦焊接过程温度场以及应力场的影响。方法建立有限模型并采用热机耦合的方法分析常规与静止轴肩辅助工艺下7075-T6铝合金搅拌摩擦焊接过程,得出不同工艺下的焊接温度与应力分布状态。对比常规与静止轴肩工艺下的温度与应力结果,得出静止轴肩对焊接过程中温度与应力的影响规律。结果焊缝横截面的高温区域均呈现出上宽下窄的碗型分布。相比于常规工艺,静止轴肩辅助工艺的焊缝区域温度具有上升速度较慢、下降速度较快的特点,且温度峰值低了55.7℃。静止轴肩具有随焊碾压的作用,在焊接过程中为焊缝区域提供一个额外的压应力,抵消焊接过程中产生的拉应力,焊后残余应力降低了17.4%。结论静止轴肩辅助工艺对焊缝区域的温度峰值以及残余应力峰值的降低均具有明显效果。     

搅拌摩擦焊接及其加工研究现状与展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接工艺,在近些年取得了巨大的研究进展.从搅拌摩擦焊的工作原理和特点出发,对搅拌摩擦焊工艺参数、焊缝组织及性能进行了评述;最后简要介绍了搅拌摩擦加工的最新发展及在各工业领域中的应用概况.     

纯铝板搅拌摩擦焊温度场数值模拟

建立了搅拌摩擦焊热源模型,利用有限元分析软件ABAQUS模拟了搅拌摩擦焊的温度场,研究了焊接速度、搅拌头轴肩尺寸和垫板材质对搅拌摩擦焊接过程中试板的温度场的影响。结果表明：随着焊接速度的提高,焊件上各点的峰值温度降低,经历高温区的时间减少;轴肩摩擦热是热输入的主要来源,随着搅拌头轴肩尺寸的增加,焊缝中心高温区同一等温线上宽下窄的分布特征越来越明显;垫板材质明显影响焊件底部的温度和分布;适当的焊接参数、搅拌头尺寸及散热条件对获得较好的焊缝质量极为重要。     

6082-T6回填式搅拌摩擦点焊热-流耦合分析

为了解释了回填式搅拌摩擦点焊的连接机理,本文根据6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊焊接过程的特点,建立了简化的热源模型,利用有限元分析软件ANSYS模拟出焊接过程中的温度场,进而耦合得到其应力场.结果表明:随着焊接过程的进行,铝合金6082-T6最高温度分布在袖筒1/2处,焊点处粘塑性金属的最大流动速度出现在铝合金上表面袖筒内侧区域;通过分析模拟过程中流体流动的流线与试验测量所得接头形貌照片,得到流场的分布规律.     

搅拌摩擦点焊金属流动研究现状

搅拌摩擦焊是一种高效环保的固相连接技术。搅拌摩擦点焊是在传统的搅拌摩擦焊上发展起来的一种新型点连接技术,与传统的电阻点焊等连接方法相比具有诸多优势。目前国内外搅拌摩擦点焊工艺在航空及汽车等工业领域有广泛的应用,但是其成形机理并不清楚。基于已发表的文献,详细综述了在搅拌摩擦点焊过程中,材料的流动模型以及数值模拟等方面的研究进展。     

搅拌摩擦焊温度场数值模型的研究进展

针对搅拌摩擦焊(FSW)的一个主要研究方向是探讨焊接过程中温度场的演变规律。在研究温度场时,数值模拟方法具有试验方法难以替代的优势。回顾了针对FSW温度场进行数值模拟时涉及到的主要模型、它们的大体思路以及各自的特点,重点论述了其中的产热和传热模型。在产热模型中,讨论了与热输入有关的热源模型、产热量计算模型和接触模型;在传热模型中,分别从热传导、对流换热和热辐射等方面进行了分析。此外,考虑到某些材料属性对温度场模拟结果的影响,文章的最后也对其进行了简要讨论。     

7075铝合金高速搅拌摩擦焊材料流动行为及性能研究

目的 针对7075–O铝合金高焊速、高转速搅拌摩擦焊接缺陷多、质量差等问题,研究焊接接头材料流动对焊缝性能的影响。方法 选用焊接速度1 000 mm/min,搅拌转速分别为1 000、1 200、1 600、1 700 r/min的条件对7075–O铝合金板进行搅拌摩擦焊接,分析不同焊接工艺参数下焊接接头的显微组织及力学性能。同时,利用Fluent软件模拟7075–O铝合金搅拌摩擦焊接过程中的材料流动场分布,分析焊接材料流动与缺陷形成的关系。结果 利用7075–O铝合金三维流动模型,预测出高焊速条件下焊缝前进侧形成一个低压区,孔洞等缺陷易出现在此区域,数值模拟预测与试验结果吻合。在高焊接速度1 000 mm/min、焊接转速1 200 r/min时,焊缝表面光滑平整,焊核区域的硬度分布更加均匀。结论 随着搅拌转速从1 000 r/min增大到1 700 r/min,热输入量逐渐增大,孔洞缺陷由隧道型孔洞转变为不连续的小孔。同时,随着搅拌转速的增大,焊缝高硬度区域的宽度先增大而后降低。当搅拌转速为1 200 r/min时得到了优质的焊接接头,焊缝焊核区硬度分布均匀,硬度值最高为176HV。     

高转速FSW工艺特征及焊缝组织性能演变规律研究

目的研究不同转速的焊缝性能变化对组织的影响,以期为高转速搅拌摩擦焊工艺参数的优化和更大范围的应用提供指导。方法在3000~8000 r/min的高转速范围内对3A21-O态铝合金进行搅拌摩擦焊试验,焊后分析了焊缝成形特征和晶粒形态并测试了接头截面显微硬度。结果当转速由1000~4000 r/min区间升高至5000~8000 r/min区间时,焊核宽度急剧增大了近50%。这是由于焊具产热机制以滑移摩擦为主向以粘着摩擦为主转变,导致上述焊核宽度增大的行为。随着转速的增大,焊缝温度呈现出常规搅拌摩擦焊工艺中鲜见的先增大而后趋于稳定的变化趋势;温度随转速的这一演变特征导致焊缝焊核区的亚结构数量比例以及显微硬度都随转速呈现出与此相近的演变规律。结论在高转速搅拌摩擦焊中,转速提高能提高焊缝性能,且增强的焊缝性能能够在较宽的高转速区间内保持相对稳定的状态。