基于CFD模型的搅拌摩擦焊接搅拌头受力分析

搅拌头作为搅拌摩擦焊接的核心部件,其工作状态与使用寿命,对焊接过程起着决定性作用,而其受力与应力值,将直接影响搅拌头的磨损和疲劳分析。建立了AA6061-T6搅拌摩擦焊接计算流体力学模型,对搅拌头附近压力场进行分析,计算搅拌头横向受力,包括轴肩表面阻力,搅拌针上压力和搅拌针底部阻力。基于得到的搅拌针上载荷分布,进一步计算出多种转速工况下搅拌针根部危险截面疲劳应力变化规律。     

紫铜板搅拌摩擦焊接温度场有限元分析

FSW传热过程直接决定工件所经历的热循环,进而影响焊接接头的微观组织和力学性能。同时温度场的分析对于预测接头残余应力和变形,以及焊缝区硬度都具有重要意义。本文在工艺研究基础上,分析了FSW的产热过程;根据搅拌头形状与尺寸,建立了FSW三维传热有限元模型。使用Ansys有限元分析软件,结合有限几个测量点温度变化的实验数据,对6 mm厚度紫铜板FSW焊接过程的温度场进行了有限元分析和计算,获得了该焊接过程的温度场分布与变化规律。计算过程中考虑了工件下表面与支撑板接触热传导对温度场的影响,以及温度对紫铜材料热传导系数的影响,有限元计算结果与实验测量结果接近。     

搅拌摩擦焊接过程中材料的三维流动分析

通过有限元方法对搅拌摩擦焊接过程中焊接构件材料的三维流动进行了研究，结果显示，在搅拌摩擦焊接工艺中，材料的等效塑性应变云图与焊接构件显微结构分布图有一定联系。在后退侧搅拌头的后方是材料流动较弱的区域，在后退侧搅拌头的前方则是材料流动最为剧烈的区域，材料越靠近焊接构件的上表面，其流动性越强。搅拌头前方的材料在搅拌头的推动下向上涌起，同时被旋推到搅拌头的后方，在肩台的作用下，这部分材料将会被压向下方以填充由于搅拌头的移动而留下的空间，这个过程周而复始，从而使搅拌摩擦焊接可以顺利进行。     

动车铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能的研究

分析了动车用6005A铝合金的搅拌摩擦焊接头的显微组织及疲劳性能。研究表明:接头表面有Al2O3生成,接头焊核区是细小的等轴晶,并有"洋葱环"形貌,热影响区晶粒粗大,接头的疲劳强度低于母材,但高于MIG焊,疲劳断口为韧窝与准解理的混合断口。     

不同过程参数对搅拌摩擦焊接中材料流动以及残余应力分布的影响

通过有限元法建立了搅拌摩擦焊接的二维模型,并研究了不同工艺参数下搅拌摩擦焊接过程中材料的流动以及残余应力的分布。在搅拌摩擦焊接过程中,切向流动构成了材料流动的主要形式,并且材料流动最为剧烈的区域发生在后退侧。在材料的切向流动中,材料的流动方向不是单一的,可能会形成漩涡。搅拌头平移速度和转速的增加,都能使材料在后退侧的流动变得更为剧烈,但是在材料流动速度较小的区域,参数的改变对材料流动的影响很小。纵向残余应力的最大值始终发生在热影响区的边界,并且纵向残余应力在靠近焊缝中心线的附近一般为正值,而在靠近焊接构件边界的地方,残余应力则表现为负值。纵向残余应力的最大值随着搅拌头平移速度的增加而有所增加,但是搅拌头转速的变化对纵向残余应力的分布影响不大。     

搅拌摩擦焊接头摩擦磨损性能研究

在MM-200型摩擦磨损试验机上分别试验了LF2铝合金搅拌摩擦焊接接头焊缝区和母材的摩擦磨损性能。通过测定失重量和摩擦力矩的波动情况,得出了在不同的工艺参数条件下试样的抗磨损性和摩擦因数的变化规律。实验结果表明：搅拌摩擦焊接头的摩擦磨损性能明显优于母材,当正压力从50N增加到106N时,母材的失重量增加近6倍,母材的失重量在同等垂直载荷的情况下是焊缝的10-20倍。实验还表明搅拌摩擦焊接接头的摩擦力矩较小并且波动平缓。搅拌摩擦焊接头区域的磨损机制从磨粒磨损方式转变为疲劳磨损方式。     

基于BP神经网络的铝合金搅拌摩擦焊接头疲劳性能研究

以焊接母材、搅拌头旋转速度、焊接速度、轴向压力、搅拌头倾角和板材厚度为输入参数,以疲劳寿命为输出参数,构建6×18×9×1四层拓扑结构的铝合金FSW接头疲劳性能BP神经网络模型,并进行了试验验证和产线应用研究。结果表明,神经网络模型具有较高的预测能力和预测精度,相对训练误差小于5.5%、相对预测误差小于6%;生产线上铝合金板材的搅拌摩擦焊工艺参数经神经网络优化后,接头疲劳寿命较神经网络优化前增加51.11%,接头疲劳性能显著提高。     

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。     

搅拌摩擦焊接技术研究进展

介绍了搅拌摩擦焊接技术的焊接工艺、焊接机理、焊接数值模拟及难点,提出应从复合搅拌摩擦焊接技术工艺和搅拌头的再设计等途径解决搅拌摩擦焊接高熔点合金与黑色金属的技术问题。     

钢搅拌摩擦焊接及加工研究进展

自搅拌摩擦焊发明至今,国内外开展了大量的有关搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)技术的研究与开发工作,并且已在轻合金结构制造领域得到大量实际应用。此外,基于搅拌摩擦焊原理发展而来的另一项技术--搅拌摩擦加工也得到广泛关注,并且在金属材料组织改性及复合材料制备方面显示了独特的优势。然而,由于受到高温搅拌头材料的限制,对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究相比铝合金要少了很多。本研究对钢铁材料搅拌摩擦焊接及加工的研究进展进行简要概述,总结同质钢铁材料搅拌摩擦焊接、异质钢铁材料搅拌摩擦焊接、钢铁材料搅拌摩擦加工以及高温焊接工具材料等几方面的研究成果,指出其中存在的重要科学及技术问题,并对钢铁材料搅拌摩擦焊接以及搅拌摩擦加工的发展趋势及值得关注的问题进行展望。     

2014铝合金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搅拌头探针,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。提出了一种联合粘度场、速度场对焊接区域进行划分的方法:搅拌头周围的η0(材料粘度值)内易流动区域对应于焊核,η0外围与η1粘度带之间的区域对应于TMAZ区。三维模拟中材料的垂直方向流动与“标记嵌入技术”流变可视化试验结果吻合较好:靠近探针的区域内,回撤边中下部的材料向上运动,前进边中下部材料向下运动。焊接速度过高,搅拌头轴肩与探针过渡处的易流动区容易发生材料的分离运动,实际焊接中在此处容易产生空洞缺陷。     

搅拌摩擦焊焊接温度数值模型及其影响因素

通过对搅拌摩擦焊过程进入稳定状态后摩擦产热与散热机制的分析,建立了搅拌摩擦焊焊接温度的数值模型。由数值模型可知,影响焊接温度的各种因素包括被焊材料和搅拌工具材料的物理性质、两者之间的摩擦因数、搅拌工具的尺寸、焊接参数、被焊材料表面受到的轴向压力和侧面受到的进给压力等,有些因素之间还互相影响,关系复杂。其中,搅拌工具的旋转速度、搅拌工具与被焊材料之间的摩擦因数、被焊材料表面受到的轴向压力及侧面受到的进给压力是主要因素。以聚氯乙稀板材搅拌摩擦焊为例,验证了在适当的取值范围内焊接温度数学模型的理论计算值与实测值基本吻合。     

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。     

搅拌摩擦焊径向阻力的动态测量与分析

利用压力传感器对聚氯乙稀塑料搅拌摩擦焊时搅拌头受到的径向阻力进行动态测量,对引起搅拌头径向阻力变化的原因及相关因素的影响规律进行分析.结果表明,搅拌摩擦焊过程开始后,径向阻力要经过一个先急剧上升,达到峰值后又迅速下降,到某一定值后稳定下来的过程.在其他条件不变的前提下,仅提高搅拌头的旋转速度使径向峰值阻力和稳态阻力都下降,达到峰值和稳态阻力的时间都缩短;仅提高焊接速度使峰值阻力大幅度上升,而稳态阻力却有升有降,但幅度不大,达到峰值阻力的时间变化不大,而达到稳态阻力的时间延长;搅拌头直径的变化会同时引起摩擦发热功率和散热功率的变化,它对径向阻力的影响比较复杂.     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊研究

成功实现了2.5 mm厚薄板镁合金AZ31的搅拌摩擦焊接。试验结果表明,接头外观优美,表面光滑,没有裂纹,背部搅拌熔合充分。微观组织、拉伸、弯曲和显微硬度试验显示镁合金的搅拌摩擦焊可以得到良好力学性能的接头(接头抗拉强度达母材强度的90％左右);显微组织特征显示接头有明显分区,焊缝中心生成等轴、微细的晶粒。     

点焊过程力学特征的有限元分析

电阻点焊过程中的力学特征对焊点性能和焊接结构的质量有重要影响。文中基于ANSYS有限元系统，建立二维轴对称热弹塑性有限元模型，对点焊过程中的力学特征进行分析。分析中将预先得到的点焊瞬态温度场作为节点温度载荷施加于模型上，同时考虑随温度变化的材料性能及其塑性行为。通过分析得到结合面和电极一工件界面上的接触压力、点焊接头中的应力、应变、变形以及电极位移等力学特征的分布及变化情况。同时参考分析结果进行粘接点焊的试验研究，表明粘接点焊可以显著提高结构的强度和疲劳寿命。     

摩擦焊接过程的热力耦合有限元分析

采用热力耦合有限元分析方法,综合考虑摩擦焊接过程中不同的产热机制、随温度变化的材料性能、飞边形成及摩擦系数随速度、温度、压力的变化规律,直接由焊件材料的性能参数及设定的焊接规范参数(轴向压力与转速随时间的变化曲线)对焊接全过程的焊接参数(摩擦转矩、轴向缩短量及平均温度)、物理参量场(温度场、应力场、变形场)及焊合区金属晶粒尺寸的变化规律进行了数值模拟,得到了焊接过程中摩擦表面上切应力、加热功率、温度及轴向压应力的分布及变化规律,实现了对焊合区金属晶粒尺寸的数值模拟。     

直流电阻对焊过程的有限元分析

采用电、热、塑性变形耦合的有限元方法,模拟了直流电阻对焊过程;探讨了变形过程中电场、温度场、变形之间以及变形过程中界面夹杂物清除率和变形之间的相互关系。分析表明,较大的变形有利于清除界面夹杂物。     

三层不锈钢板电阻点焊温度场数值模拟

根据三层不锈钢板电阻点焊熔核形成过程,建立了模拟三层板点焊温度场的轴对称有限元模型。在分析了三层板点焊的热电过程基础上,计算结果表明三层板点焊熔核初期是先形成包含中间板和上下工件/工件接触面的较小的熔核,随时间延长,熔核再沿轴向和径向逐渐长大的过程。通过试验验证表明,数值模拟结果与实际吻合良好。该模型为进一步的电阻点焊多层板的温度场和应力场分析提供了基础。