旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响。结果表明：常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布。相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度。焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现“M”形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大。此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%。     

静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展

综述了静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展,主要涉及静止轴肩搅拌摩擦焊的基本原理以及高转速、常规转速和角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊等内容.高旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊在降低焊接载荷的同时,能够减小、甚至消除飞边和孔洞缺陷.常规旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊可获得沿板厚方向更均匀的焊缝组织,适合于热导率差的钛合金的焊接.设计与两侧板面完全贴合的静止轴肩,以角焊缝的形式实现T形接头的焊接,拓宽了搅拌摩擦焊的应用范围.无论是高旋转频率、常规旋转频率还是角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊,都存在搅拌头的磨损和过热问题,尚需开展深入、系统的研究.     

铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力超声波法测量

开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置,在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转,内部搅拌针旋转,获得了无弧纹的搅拌摩擦焊缝表面。焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件,使用超声波焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量。测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大值可达母材抗拉强度的66%左右,应力峰值不低于弧焊,纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近,横向残余应力值低于纵向残余应力。     

铝合金与聚合物静止轴肩辅助搅拌摩擦搭接焊接工艺研究

以PA6尼龙聚合物为上板,6061-T6铝合金为下板,采用静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术进行了6061-T6铝合金与PA6尼龙聚合物的搭接,并与常规的搅拌摩擦焊工艺进行了对比分析.结果 表明:与常规的搅拌摩擦焊工艺相比,静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术获得的接头表面光滑,没有出现明显的弧纹及孔洞缺陷.常规搅拌摩擦焊工艺下因为...     

铝锂合金无减薄搅拌摩擦焊工艺研究

基于轴肩静止的搅拌摩擦焊工艺方法,研制并优化分体式搅拌工具,以铝锂合金为对象,研究其焊接工艺参数、微观组织与接头性能,实现了高质量连接,探索出焊接无倾角、焊后无减薄的新型搅拌摩擦焊焊接方法。该方法在轴肩静止的条件下,不仅能够获得力学性能优异的焊接接头,还能达到焊接过程无飞边、焊后表面光洁度好、无减薄的预期目的,未来可能会将搅拌摩擦焊应用领域拓宽至对表面构型要求严苛的铝合金结构件焊接。     

搅拌头旋转频率对静止轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响规律

利用自行设计的静止轴肩装置对6005A-T6铝合金进行了静止轴肩搅拌摩擦焊的试验研究.结果表明,当焊接速度为200 mm/min时,表面光滑且无缺陷的焊接接头抗拉强度与断后伸长率随着搅拌头旋转频率的增加呈现先增加后减小的趋势;焊接接头的正背弯180°无裂纹;当旋转频率为1800 r/min时,抗拉强度达到最大值234 MPa,接头强度系数达到79%.静止轴肩搅拌摩擦焊接头的显微维氏硬度呈W形分布,最小值出现在前进侧的热影响区;接头的软化程度随搅拌头旋转频率的增加而增加.焊接接头的断裂位置位于热力影响区,断口呈韧性断裂.     

FSW接头残余应力分布及控制技术

对不同搅拌头、不同工艺参数条件下的搅拌摩擦焊焊接结构宏观变形进行了测量和分析,在优化参数条件下,研究了动态控制低应力无变形焊接技术搅拌摩擦焊焊接结构宏观变形及残余应力的影响。研究表明,减小搅拌头轴肩直径、降低焊接热输入有助于减小结构宏观变形;动态控制低应力无变形焊接技术有助于减小接头残余应力,但是对结构宏观变形的作用不是很明显。     

搅拌摩擦焊接技术的研究现状与前景展望

搅拌摩擦焊接技术是近年来发展较快的一种焊接技术,目前在多个行业中获得了深度关注并取得了飞速发展,研究材料从最初的铝合金到现在涵盖了多种的金属材料、轻合金材料、非金属材料等;搅拌头结构也已经多种化,从传统的结构发展到现在的以双头搅拌头、固定轴肩搅拌头和浮动轴肩搅拌头等为代表的创新形式焊接工具,焊接工艺从单一以控制转速比、轴向压力、焊接倾角和下压量的单热源摩擦焊再到为解决高熔点金属的搅拌摩擦焊应用的先进焊接技术,如激光、等离子、超声-搅拌摩擦复合焊等以及电磁感应-摩擦复合焊等复合焊接方法。搅拌摩擦焊接技术以其巨大发展潜力和独有的技术优势迅速得到社会的认可和技术推广,逐渐成为当下最热门的固相连接技术方法之一。     

基于复合搅拌摩擦焊的6063铝合金焊接接头残余应力控制研究

分别采用普通搅拌摩擦焊和带随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置的复合式搅拌摩擦焊对6063铝合金薄板进行焊接试验,并对两组试验的纵向残余应力数据进行对比分析。试验结果表明:普通搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力是拉应力,其值为83.6 MPa,位于前进侧的搅拌头轴肩边缘处。前进侧与返回侧两侧的纵向残余应力基本对称,从焊缝中心到边缘,纵向残余应力由小变大后再变小,最后转变为压应力;复合搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力比普通搅拌摩擦焊减小了38.9 MPa,其分布与普通搅拌摩擦焊时基本相同,但其变化范围窄。这说明随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置能有效减小纵向残余应力,从而能减小焊后变形,提高搅拌摩擦焊接接头质量。     

搅拌摩擦焊接的传热和力学计算模型

搅拌摩擦焊接（Ｆｒｉｃｔｉｏｎ Ｓｔｉｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ）是最近发展起来的一种新的固态连接技术。它主要用于铝合金,可以得到小变形、低成本和高质量的焊接接头。本文提出一个基于三维热弹塑性有限元分析的传热和力学计算模型。利用该模型可以了解搅拌摩擦焊接过程中的温度分布和循环,并预测焊后的残余应力和变形。对６０６１－Ｔ６铝合金搅拌摩擦焊接进行了实例分析。传热分析表明,铝合金搅拌摩擦焊接时的最高温度不超过材料熔点的８０％,因而属固态连接,同时为预测焊接接头的组织性能提供依据。力学计算结果表明,搅拌摩擦焊接的残余应力与变形要比传统的熔化焊接方法小得多。工件中最大的残余应力大约只有母材屈服极限的２５％～３０％。计算结果与试验数据相近,可作为进一步研究搅拌摩擦焊接过程和优化焊接参数的有效工具。     

铝/镁搅拌摩擦焊异质接头热-力场仿真研究

铝合金和镁合金在多材料结构中的混合应用可有效实现轻量化效果,以搅拌摩擦焊为代表的新型固相焊接技术在铝/镁异种合金连接中的应用是焊接领域的研究热点。文中基于扭矩热源模型,利用Abaqus软件分析了搅拌头转速对6061铝合金/AZ31镁合金搅拌摩擦焊搭接接头热-力场的影响。结果表明:受搅拌头产热和热传导散热的共同作用,接头表面和横截面温度场分别呈椭圆状和碗状,焊缝前进侧温度高于后退侧。接头残余应力主要由纵向应力和横向应力构成,轴肩边缘同时受热应力和机械应力的作用而具有应力峰值。此外,接头峰值温度和残余应力值均随搅拌头转速的提高表现出不同程度的增大。相关研究结果可为铝/镁异种合金搅拌摩擦焊工艺参数的设计与优化提供理论指导。     

铝合金搅拌摩擦焊接头缺陷及焊件结构问题控制策略的研究进展

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,FSW)是近些年发展起来的一种固态连接工艺,尤其适用于铝合金材料的焊接。概述了搅拌摩擦焊的局限性,主要包括接头处存在钥匙孔、焊缝减薄等缺陷及复杂结构铝合金难以焊接等问题。研究表明,通过工艺方法、流程及参量的优化能够对焊接接头缺陷和焊件结构问题进行有效控制。由此,归纳了铝合金搅拌摩擦焊接头存在的关键问题及解决策略,分析了每种工艺方法的适用对象及条件,包括摩擦塞焊(Friction Plug Welding,FPW)、填充式搅拌摩擦焊(Filled Friction Stir Welding,FFSW)、回抽式FSW、静止轴肩搅拌摩擦焊(Stationary Shoulder Friction Stir Welded,SSFSW)、沉积式FSW、双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin Tool Friction Stir Welding,BT-FSW)和无倾角FSW。详细探讨了每种工艺的原理和机制,阐述了每种工艺的优缺点,重点介绍了工艺的参数优化调控、辅助设备的添加及工序的改进对修复接头组织与力学性能的影响。对铝合金搅拌摩擦焊的回顾总结,将为获得高质量搅拌摩擦焊接头,实现复杂结构件焊接提供参考依据。在此基础上,对铝合金搅拌摩擦焊现存问题及挑战的解决进行了展望。     

铝合金液冷冷板的搅拌摩擦焊

针对钎焊工艺条件下铝合金液冷冷板钎焊缝存在的技术问题,对比分析了搅拌摩擦焊工艺技术在铝合金液冷冷板焊接应用上的技术优势,指出了采用搅拌摩擦焊工艺进行铝合金液冷冷板非实体结构的焊接时,要获得满意的接头焊接质量的前提是结构需满足一定的焊接接头设计要求.在试验基础上对搅拌摩擦焊的6063铝合金液冷冷板焊接表面压入量、焊接变形情况、焊接匙孔处理方法、焊接接头耐压性能和焊接接头组织状况进行了分析研究.     

焊接速度对5754铝合金FSW接头微观组织和力学性能的影响

对3 mm厚的5754铝合金板材进行搅拌摩擦焊接，研究了搅拌头在转速800 r/min条件下，不同焊接速度(100 ~ 400 mm/min)对搅拌摩擦焊接头微观组织和力学性能的影响. 结果表明，5754铝合金FSW接头横截面形貌呈“盆”形. 随着焊接速度增加，5754铝合金FSW接头的焊核区和轴肩区的面积逐渐减小，而搅拌针区面积先增加后减小. 当焊接速度为300 mm/min时，搅拌针区面积达到最大值6.66 mm2，轴肩区和搅拌针区面积比例为0.97，5754铝合金FSW接头的强度系数达到97.5%，这主要是因为轴肩区和搅拌针区面积相近，增大了焊核区和热影响区界面面积，从而提高了FSW接头强度，拉伸断裂在焊核区以外(热影响区或基材区)，断口为韧性断口. 当焊接速度为400 mm/min时，5754铝合金FSW接头的强度系数为58.8%，拉伸试样均断裂在焊核区，断口为脆性断口.     

铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究进展

在铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,焊接接头中存在着织构的演变过程,这对焊接时材料的塑性变形与流动行为、接头性能和接头残余应力的检测均产生重要影响。综述了铝合金板中的织构及其在FSW中的演变过程,概括介绍同种铝合金、异种铝合金以及铝合金与其他材料异种搅拌摩擦焊接接头织构的国内外研究现状;指出铝合金搅拌摩擦焊接接头织构研究存在的不足,并展望铝合金搅拌摩擦焊接头织构研究的发展方向。     

薄壁铝合金搅拌摩擦焊焊接应力变形与控制

搅拌摩擦焊(FSW)焊接残余应力变形表现出与传统熔焊不同的规律,文中研究了薄壁铝合金搅拌摩擦焊残余应力分布规律和焊接变形控制方法,结果表明,纵向残余应力峰值并非出现于焊缝中心,热影响区和热机影响区是残余应力相对较大的区域.基于动态低应力无变形焊接方法,设计开发了一套热沉系统,进行了动态低应力无变形FSW试验.研究表明,动态低应力无变形焊接技术可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力和变形,接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊接头残余应力分布类似,但应力峰值降低50%以上.     

铜与铝异质搅拌摩擦焊的工艺研究

采用不同的工艺参数对3 mm厚的T2纯铜板材与5383铝合金板材进行了对接搅拌摩擦焊试验,并对焊接接头的显微组织、拉伸性能和耐腐蚀性能进行了测试与对比分析。结果表明,选择适当的工艺参数,可以实现T2纯铜板材与5383铝合金板材的对接搅拌摩擦焊,搅拌头旋转速度、焊接速度和轴肩压力都会影响接头的拉伸性能和耐腐蚀性能,其优选的工艺参数为:搅拌头旋转速度ω=950 r/min、焊接速度v=140 mm/min、ω/v=6.79、轴肩压力P=8 kN。     

阵列射流冲击热沉搅拌摩擦焊接新方法

基于动态低应力无变形技术的原理,设计开发了阵列射流冲击热沉搅拌摩擦焊接新方法.结果表明,采用该方法可以有效减小搅拌摩擦焊接头残余应力,焊后试件基本无变形.采用射流冲击热沉的动态低应力无变形搅拌摩擦焊接头残余应力分布规律与常规搅拌摩擦焊类似,但应力峰值明显降低,约为常规FSW接头应力峰值的45%,可以实现FSW薄壁结构的低应力无变形焊接.该项技术可以提高一些铝合金材料FSW接头性能,具有较好的技术经济价值.     

2024铝合金搅拌摩擦焊接头组织结构及力学性能

采用搅拌摩擦焊工艺实现3 mm厚的2024铝合金焊接,对接头搅拌区的组织结构及力学性能进行分析。研究表明,焊核区主要由再结晶和搅拌的双重影响而形成的细小等轴晶组织构成;热机影响区受焊核区剪切力及热循环的影响,晶粒大小不均匀并伴有晶粒变形的现象。力学性能分析表明,接头显微硬度分布特征与金相组织结构一致;当焊接速度为300 mm/min时,接头的抗拉强度达到294 MPa,为母材的69%,接头的断裂形式为韧窝和沿晶断裂特征的韧性和脆性断裂;接头的焊接残余应力以纵向应力为主,纵向残余应力峰值出现在前进侧轴肩作用的边缘处,焊接速度为300 mm/min时峰值达到164.5 MPa。     

静止轴肩搅拌摩擦搭接接头的成形与冲击性能研究

以2024-T4铝合金为研究对象,研究了静止轴肩搅拌摩擦搭接焊接头的成形和冲击性能。结果表明,利用静止轴肩可获得表面无弧纹、小飞边、内部钩状缺陷和冷搭接高度较低的搭接接头。前进侧搅拌针作用区边缘的冲击韧性最低,焊核区次之,后退侧搅拌针作用区边缘与两侧的轴肩作用区边缘具有较高的冲击韧性。