基于ANSYS的超声搅拌摩擦焊系统设计与仿真

针对搅拌摩擦焊技术在厚板焊接时焊缝深层易出现组织疏松等焊接缺陷的问题,提出将超声振动能量导入到搅拌摩擦焊缝区,设计了超声搅拌摩擦焊接装置。利用ANSYS软件的多物理场耦合功能,将结构场与电场进行耦合,建立了整个超声搅拌摩擦焊系统的有限元计算模型并进行了模态分析和谐响应分析。计算结果表明,其共振频率为19.494kHz,与后来实际测量的共振频率19.56kHz接近。在施加1000V的正弦电压时,其振动输出端的最大振动位移发生在频率为20kHz左右,振幅约为72μm,满足设计要求。     

超声振动强化搅拌摩擦焊的热力行为及微观组织特征

为了利用超声振动降低搅拌摩擦焊过程中金属材料的屈服应力和流动应力,研发超声振动强化搅拌摩擦焊试验装置,开展6061-T6铝合金的焊接工艺试验。采用实时采集焊机电参数并将其转化成力矩和力的方法,测试超声振动作用下搅拌摩擦焊的焊接载荷,利用热电偶测试施加超声时的焊接热循环,通过体视显微镜和金相显微镜分别观测焊缝截面尺寸和接头微观组织,并与相同参数下常规搅拌摩擦焊的情况进行比对。研究结果表明,超声振动能够显著降低焊接轴向压力和搅拌头转矩,增大焊缝横截面尺寸,细化和均匀焊核区和热力影响区的晶粒组织。热循环的测量结果显示,超声振动的施加略微降低了测量点的焊接热循环峰值温度。分析认为,超声振动与搅拌头附近的塑性变形材料相互作用,降低了金属材料的屈服应力和流变应力,进而改变了原有的温度场,从而产生了优异的工艺效果。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

温度对搅拌摩擦焊接接头摩擦磨损性能的影响

通过对搅拌摩擦焊过程中铝合金板上各特征点在不同焊接参数的温度变化规律的检测,研究搅拌摩擦焊接参数对焊接过程温度场的影响,搅拌摩擦焊焊接接头的摩擦磨损行为,以及搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能随温度的变化趋势。结果表明:在搅拌头旋转速度一定时,各特征点的温度峰值会随焊接速度的增加而降低,在焊接速度一定时,特征点的温度峰值会随搅拌头旋转速度的增加而升高;搅拌摩擦焊接头磨损表面呈现轻微的疲劳磨损特征,无明显的表层剥落开裂迹象;试样的磨损量与接头区域的焊缝成型有密切关系,而焊缝的成型质量与温度场的分布有密切联系,试验表明温度场梯度越小,磨损量越小。     

AZ31B镁合金搅拌摩擦焊焊接工艺研究

采用搅拌摩擦焊对AZ31B镁合金板材进行了焊接试验,研究了搅拌头旋转速度、焊接速度和搅拌头轴肩下压量对焊接接头成形质量的影响。结果表明,搅拌头转速过快或焊接速度过慢时,焊缝会出现局部过热甚至熔化现象;反之,当搅拌头转速不够或焊接速度过快时,材料不能充分流动,会形成隧道型缺陷或表面沟槽。当搅拌头轴肩下压量过小时,焊缝内部组织疏松或出现孔洞、隧道型缺陷,焊缝表面出现沟槽,甚至使焊缝金属液外溢;搅拌头轴肩下压量过大,会造成摩擦力及搅拌头前移阻力增大、焊缝凹陷及出现飞边。当搅拌头转速为1200～1500r／min、焊速为30～60mm／min,搅拌头轴肩下压量为1．5～2．0mm时,可得表面成形良好、内部无孔洞和隧道的焊缝。     

搅拌摩擦焊多平面搅拌头对材料流动行为的影响

与传统熔化焊相比,搅拌摩擦焊(Frictionstirwelding, FSW)因温度梯度较小,可以减少焊接裂纹和残余变形,是一种极具前途的铝合金固相焊接方法。相同焊接工艺参数下,搅拌头是影响焊接热输入和材料流动的主要因素之一,决定焊缝的组织与性能。基于固体力学有限元法和A7N01铝合金材料本构方程,建立基于Deform软件搅拌摩擦焊刚黏塑性仿真模型,并通过焊接试验的测温曲线和试验缺陷完成了模型验证,对比分析了圆台、三平面、四平面搅拌头平面对搅拌摩擦焊稳态焊接阶段的温度场、峰值温度曲线和材料流动行为的影响。结果表明,多平面搅拌头的焊接热输入高于圆台搅拌头,在材料塑性流动范围、流动均匀性和有效焊缝等指标方面优于圆台搅拌头。搅拌头的平面特征在材料流动过程中能够起到明显的挤压作用,从而细化焊缝区的晶粒,提高焊接接头的力学性能。基于仿真和试验结果分析,揭示了焊接犁沟缺陷的成因,并提出了预防措施。     

搅拌头偏置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用不同的搅拌头偏置位置对AZ31B镁合金和6061铝合金进行搅拌摩擦焊对接试验,探究搅拌头偏置位置对铝镁异种合金搅拌摩擦焊焊缝成形的影响。对比了不同搅拌头偏置所获得的焊缝外观成形和断口成分能谱,实验结果表明,搅拌头偏置铝1 mm所获得焊缝表面成形质量要优于搅拌头置中和偏置镁1 mm所得的焊缝,焊接过程中金属间化合物大量连续的生成是造成接头断裂的主要原因。     

搅拌摩擦焊返工工艺研究

介绍了搅拌摩擦焊在轨道交通车辆侧墙制造应用中出现的平面度超差、焊接缺陷等质量问题,通过对侧墙板搅拌摩擦焊焊缝使用搅拌摩擦焊调平、弧焊补焊、重复焊接等方法进行返工,对返工后的接头进行宏观试验、拉伸试验和弯曲试验,并根据ISO25239对试验结果进行评判,最终确定对存在缺陷的搅拌摩擦焊焊缝进行返工的可行性。     

搅拌摩擦焊焊缝快速检测系统研究

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接方法。在环缝焊接不同坡口时,要尽可能消除破口各处的间隙和阶差。因此在焊前需要对装配质量进行检验,以便对坡口不合格处进行调整。基于Lab VIEW软件,开发了一套搅拌摩擦焊焊缝坡口间隙快速检测系统。实验表明系统具有很好的检测效果。     

铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺研究

文中研究了铝合金液冷冷板窄台阶搭接搅拌摩擦焊工艺。冷板基底材料为6063 铝合金,盖板材料为3A21 铝合金。设计了窄搭接搅拌头,减小了轴肩宽度和焊接压力,增加了接头焊接时材料的流动性,针对不同焊深窄台阶冷板进行了窄搭接焊接工艺试验。研究表明,通过优化搅拌头形貌尺寸和工艺参数能够实现4-2（焊缝深度–台阶宽度,mm）、6-4 和9-6 的窄搭接搅拌摩擦焊焊接,焊接过程中进行定位预焊能有效避免产生焊缝S 型曲线,前进侧为6063 或3A21 时均能形成良好的焊缝。     

搅拌摩擦焊过程接触熔化物理模型与分析

利用接触熔化理论建立了搅拌摩擦焊的物理模型,并进行了分析计算,探讨了搅拌摩擦焊焊缝的形成机制。指出搅拌摩擦焊过程中,能量沉积引起搅拌头前方摩擦界面处被焊材料的微结构发生改变,形成粘性类液层。研究结果表明,形成稳定厚度的类液层是实现焊接的必要条件。类液态金属在搅拌头的旋转作用下向后高速喷射,最终在搅拌头后方沉积形成弧形层状焊缝组织。     

5A05铝合金薄板搅拌摩擦焊装配因素对焊缝质量的影响

文中通过5A05铝合金薄板搅拌摩擦焊对接试验,进行了力学性能分析和X射线探伤,研究接头错边量和间隙量对搅拌摩擦焊对接接头缺陷和力学性能的影响。试验结果表明当错边量大于0.5 mm或间隙量大于0.8 mm时焊缝力学性能下降并伴随下压量增大和缺陷的产生,接头缺陷与拉伸试验断裂部位大多在焊缝前进侧。错边量和间隙量对铝合金薄板搅拌摩擦焊对接接头力学性能及内部质量有重要影响,为保证焊接生产质量,搅拌摩擦焊焊接过程中应该严格控制接头错边量和间隙量。     

搅拌针几何形态对无倾角搅拌摩擦焊焊缝成形的影响及其机制分析

无倾角搅拌摩擦焊工艺是保障平面二维及空间三维复杂焊缝焊接质量的关键技术。分别采用含有光面搅拌针、光面带切台搅拌针和螺纹带切台搅拌针的焊具进行无倾角焊接试验,对比研究焊缝形貌、缺陷分布和接头性能,以期阐明搅拌针几何形态对无倾角搅拌摩擦焊焊缝的影响及其机制,从而为无倾角搅拌摩擦焊工艺的高质量应用奠定技术基础。试验结果表明,在无倾角焊接条件下,光面搅拌针容易导致焊缝根部出现孔洞缺陷,难以形成优质接头;带切台搅拌针增强了焊缝中上部材料的塑性流动,由此间接促进了焊缝根部匙孔的填充,在较低焊速下可以获得无缺陷接头;搅拌针螺纹结构直接增强了焊缝根部材料的塑性流动,因而能在更宽的参数范围内形成无缺陷接头。与光面搅拌针相比,搅拌针切台结构增大了接头软化区宽度,提高了焊缝上部的软化程度,所得无缺陷接头的抗拉强度最高可达母材的86%。对比而言,在带切台搅拌针上进一步加工螺纹能够降低焊接热软化效应,减小软化区宽度并提高焊核区硬度,接头最高强度系数由此增大到了90%。     

锻造ZK60镁合金的搅拌摩擦焊工艺

采用搅拌摩擦焊焊接工艺对4 mm厚的锻造ZK60镁合金板进行了焊接试验,研究了搅拌头轴肩尺寸、旋转速度及焊接速度等对焊缝质量及接头抗拉强度的影响,并得到了较佳焊接工艺参数。结果表明:在其他条件一定时,焊接接头的抗拉强度随搅拌速度的增加而增大,随焊接速度的增加而先增大后减小;当搅拌头轴肩直径为15 mm、旋转速度为1 170 r.min-1,焊接速度为36 mm.min-1时,所得焊缝表面光滑,无裂纹、孔洞、疏松及未焊透等缺陷,接头的抗拉强度最大,为271.2 MPa,约为母材的85%。     

铝-镁合金的超声振动强化搅拌摩擦焊试验研究*

研究铝镁异种合金的连接可拓宽轻量化结构的应用领域,具有重要的学术意义和工程实用价值。进行常规搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)和超声振动辅助搅拌摩擦焊(Ultrasonic vibration enhanced friction stir welding, UVeFSW)的对比试验,并对结果进行分析。试验结果表明超声的施加可以拓宽工艺参数窗口,改善焊缝表面的成形,减少缺陷,优化界面结构,细化均化晶粒,提高接头的力学性能。进行载荷测试后发现,超声的加入可以降低焊接所需载荷,这有利于降低设备体积。而温度场的测试则说明,超声波对于焊件有预热作用。     

轨道车辆铝合金地板搅拌摩擦焊残余状态分析

搅拌摩擦焊作为一种先进的固相焊接技术,以其针对铝合金材料焊接效率高、焊后缺陷小、环境污染小等优点被逐渐地广泛应用。但是目前缺乏搅拌摩擦焊焊接中力学过程的研究,也鲜有力学过程对于焊缝残余状态影响的资料,不利于搅拌摩擦焊的推广应用。因此,本文以某型地铁车辆铝合金地板的焊接为研究对象,对搅拌摩擦焊工作原理及焊缝残余状态规律进行了分析,总结了摩擦焊接过程中的力学规律与导致焊缝残余应力不对称分布的原因。     

静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化

为了解决非刚性支撑条件下传统搅拌头易陷入被焊接板材而导致焊接失败的问题,设计研发了静轴肩焊接结构。通过建立有限元仿真计算模型,并使用热红外成像仪对焊接表面温度进行实时监测,分析不同工艺参数下静轴肩摩擦搅拌焊焊接过程中的温度场变化情况。使用设计研发的静轴肩摩擦搅拌焊进行现场试验并对完成焊接表面无缺陷的焊缝与母材进行拉伸试验对比,检测其焊缝机械强度,并对断口进行微观组织分析。结果表明：在使用静轴肩搅拌头焊接过程中,产热量主要来源于搅拌针轴肩的摩擦生热和搅拌针端部的摩擦生热,搅拌针的侧面摩擦生热和静轴肩的摩擦生热占比较小;对产热量影响较大的是主轴压力和主轴转速,C轴转速对产热量影响不大;在主轴压力为2940～3430 N,主轴转速为1000 r/min,C轴转速为0.05 r/min的工艺参数下,完成焊接的焊缝表面光滑无飞边,内部无沟槽隧道缺陷,焊缝抗拉性能达到母材的71.5%左右;焊缝断口存在分层现象,靠近焊接表面的上层呈脆性断裂特性,下层呈延性断裂特性,与母材相比,焊缝试样的延伸率和抗拉强度均有所降低。     

焊接参数对搅拌摩擦焊焊缝形貌的影响

研究了搅拌摩擦焊工艺参数对LY12铝合金焊缝形貌的影响。研究结果表明：采用左螺纹圆柱搅拌头进行焊接时,形成的焊核关于搅拌针中心不对称,回撤边塑性金属迁移程度大于前进边;搅拌头旋转速度和轴肩下压量相同时,增大焊接速度可使回撤边塑性金属向上迁移程度减弱,使焊核宽度及焊核中心偏向回撤边距离减小;搅拌头旋转速度和焊接速度相同时,增大轴肩下压量可使焊核宽度和焊核中心偏向回撤边的距离增大,使回撤边塑性金属向上迁移程度先增大后减小。     

铝合金搅拌摩擦焊技术研究

论述了搅拌摩擦焊的焊接方法、工艺过程和基本原理；通过大量的工艺参数优化，解决了焊缝中的孔洞问题，使ＬＦ６板材搅拌摩擦焊的焊缝达到与母材等强，ＬＹ１２焊后未经热处理，连接强度接近母材的８０（。由金相分析可以看出，搅拌摩擦焊属于固相连接，焊缝晶粒细小，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。初步应力测试发现，搅拌摩擦焊焊缝比熔焊焊缝的残余应力低。试验研究结果表明，搅拌摩擦焊焊接过程稳定可靠，焊接接头性能良好，具有广泛的应用前景。     

铝-镁异种金属对接搅拌摩擦焊断裂行为分析

采用搅拌摩擦焊方法进行铝/镁异种金属对接焊试验,分析了其断口形貌特征及断裂行为机理。研究结果表明,镁板在搅拌头前进侧或搅拌头向镁侧偏离时,焊缝表面有飞边和裂纹、焊缝内部有孔洞和隧道缺陷,不能获得成型良好的焊缝。而铝板置于搅拌头前进侧,焊接速度为50 mm/min、搅拌头转速为900 r/min时,焊缝能够获得较好成型。对其焊缝断口进行X衍射、能谱分析知焊缝中含有大量的脆性相Mg2Al3、Mg12Al17,由此决定了断裂面主要以解理断裂为主,有少量的韧窝存在,脆性金属间化合物在断口中分布的差异造成不同区域的断裂形式差异较大。