2219铝合金厚板搅拌摩擦焊搅拌头结构参数优化

为探究搅拌头几何形貌对2219铝合金厚板搅拌摩擦焊核心区温度场的影响，基于ABAQUS/CEL建立了18 mm厚2219铝合金FSW三维过程仿真模型，应用有限元分析法对焊接过程进行仿真研究，得到了焊接核心区测温点实时温度循环曲线。利用自主研发的热电偶测温系统对焊接温度场相应测温点温度进行检测，经过对比可知,不同转速试验和仿真数据曲线变化趋势基本相同，验证了所建立的FSW过程仿真模型的有效性。探究了搅拌头结构参数对FSW过程核心温度场的影响规律，针对搅拌头的轴肩尺寸、搅拌针锥角、轴肩凹角、螺纹升角等结构尺寸设计了4因素3水平正交试验。结果表明，轴肩直径对核心区温差的影响最为显著，当搅拌头的轴肩尺寸为36 mm、搅拌针锥角为6°、轴肩凹角为2.5°、螺纹升角为11°时，搅拌头结构尺寸较为合理，核心区温差值较小。 创新点： 探究了搅拌头几何形貌对搅拌摩擦焊核心区温度场的影响,实现了搅拌头的结构参数优化。     

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明：相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。     

厚板双轴肩搅拌摩擦焊温度场及流场数值模拟

针对30 mm厚5A06铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的焊接过程,建立温度场及流场的数值模型,计算两种搅拌工具作用下的温度场及流场分布情况。模拟结果发现,双轴肩搅拌摩擦焊接过程中,双轴肩搅拌摩擦焊温度场靠近轴肩区域的温度高,沿板厚中心方向温度逐渐降低,呈哑铃状分布,后退侧温度高于前进侧温度;采用锥形搅拌针焊接时的焊缝温度高于圆柱形搅拌针作用的焊缝。流动场模拟结果表明,工件上、下表面轴肩作用范围内的材料流动最为剧烈,工件内部材料流动相对较弱,采用平行槽结构的搅拌针材料呈横向流动规律,而螺纹结构的搅拌针作用下材料流动较紊乱,材料流动情况与两种搅拌工具作用下的焊缝形貌吻合较好。     

AZ31镁合金搅拌摩擦点焊温度场的检测及数值模拟分析

以AZ31镁合金搅拌摩擦点焊过程为研究对象,分析搅拌头不同转速和压入速度对焊接过程温度场的影响。温度场的测定主要通过将两个热电偶分别植入搅拌头轴肩和搅拌针顶端。试验结果表明,搅拌头最高温度随转速增加而增加,所得最高温度为532.530℃,最高升温速率为93.974℃/s,而同一转速下压入速度对最高温度没有影响。使用Deform-3D软件进行AZ31镁合金搅拌摩擦点焊过程温度场数值模拟分析,数值模拟结果与试验结果基本吻合。     

搅拌摩擦焊中轴向压力变化分析

利用置于主轴内部的压力传感器采集搅拌摩擦焊接过程中的轴向压力值,分析轴向压力的变化规律来进一步理解搅拌摩擦焊的焊接过程。结果表明,在搅拌针下压过程中,轴向压力先增加后减小,最高压力值随着旋转速度的增加而增加;在轴肩下压过程中,压力再次增加直至下压过程停止;在搅拌头前进过程中,轴向压力先增加随后进入稳定阶段,在焊接速度不变的情况下压力值随旋转速度的增加而减小,在旋转速度不变的情况下压力随焊接速度的增加而增大。     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触而滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温...     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌针锥角和预热对温度分布的影响

搅拌摩擦焊(FSW)被广泛应用在工业上,用来连接有色金属,尤其是铝合金。采用基于有限元分析的三维模型研究FSW过程中铜C11000的热特性。模型包含了搅拌头的机械作用和待焊接材料的热性能,以材料和搅拌针以及轴肩之间的摩擦作为热源。结果表明,温度的预测结果与实验结果具有良好的一致性。此外,数值模拟方法可以简单地应用于测量搅拌头下方工件的温度。研究了预热温度和搅拌针锥角对温度分布的影响。搅拌针锥角的增加可提高焊缝周围的温度,但预热不会影响焊缝周围的温度分布。     

焊接工艺参数对2024铝合金搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动行为的影响

以轴肩端面为同心圆的带螺纹搅拌头为研究对象,利用计算流体力学软件FLUENT建立了三维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行了数值模拟,研究焊接工艺参数对模拟结果的影响。结果表明,在搅拌头附近区域材料的塑性流动剧烈,且轴肩附近材料的流动速度高于搅拌针边缘材料的流动速度;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动更剧烈,且高速流动的材料区域范围变大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

6mm厚6061-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊工艺方法研究

针对6 mm厚6061-T6铝合金板材,设计制造了不同结构形式和尺寸规格的双轴肩搅拌摩擦焊工具,并对搅拌摩擦焊工具的结构形式和尺寸规格对焊接过程及焊接接头质量的影响进行了系统的分析研究：设计制造了两体式和三体式双轴肩搅拌摩擦焊工具,并对两种结构形式进行分析;设计制造了环状轴肩和凹面轴肩,通过焊接工艺试验得知凹面轴肩焊缝成形性优于环状轴肩;设计制造了正-反螺纹搅拌针、正螺纹搅拌针、整圆柱搅拌针和圆柱铣扁搅拌针;圆柱铣扁搅拌针焊缝焊接质量优于其他三种结构形式的搅拌针。采用凹面轴肩和圆柱铣扁搅拌针组装成的搅拌头,对6 mm厚6061-T6铝合金板材进行焊接,在主轴转速为800 r/min、焊接速度为150 mm/min工艺参数下,焊接接头得到最大抗拉强度值为220MPa,达到母材抗拉强度（315 MPa）的70%。     

三维搅拌摩擦焊接传热与塑性流动分析模型

为研究搅拌摩擦焊接过程热流相互作用下的温度场、速度场和粘度场,将材料看成是层流、粘性、非牛顿流体,基于流体力学理论,建立了搅拌摩擦焊接过程的三维热流分析模型.给出了焊接过程热输入与搅拌头的旋转频率、工件运动速度、搅拌头尺寸及材料发生屈服时的剪应力的数学关系式,并将其作为热边界条件加入到了模型中.结果表明,搅拌头前部温度低于后部,温度梯度前部大于后部;受搅拌头周围材料流动的影响,接近搅拌针的区域,后退侧温度高于前进侧;材料上部速度、粘度受轴肩影响较大,下部主要受搅拌针影响;计算得到的热力影响区与试验结果有较好的对应关系.     

搅拌摩擦焊接热输入数值模型

根据搅拌摩擦焊接特点,建立了轴肩、柱形搅拌针和锥形搅拌针热输入数值模型,并分别讨论了搅拌针锥角对轴肩和锥形搅拌针热输入的影响。结果表明,锥角增大,轴肩热输入降低;锥形搅拌针侧面热输入增大;搅拌针端面热输入降低;搅拌针总的热输入先下降,然后迅速上升。     

轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响

采用完全热力耦合模型分析轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程的影响,发现较低的轴向载荷会导致搅拌摩擦焊接无法完成.搅拌摩擦焊接构件上表面材料由于受到搅拌针和肩台旋转的作用,导致上表面材料变形程度较下表面高,材料沿焊缝中心线的变形并非严格对称,前进侧材料的变形程度较后退侧高,搅拌头轴向载荷的增加会减弱这种不对称性.搅拌摩擦焊接过程中的最高温度随轴向载荷的增加而增加,且搅拌头轴向载荷的增加会促使搅拌区附近的温度分布趋于均匀.     

搅拌摩擦焊接过程中搅拌头转速对材料流动的影响

使用有限元方法模拟了不同搅拌头转速下,搅拌摩擦焊接过程中Al6061～T6材料的三维流动,以及材料流动与搅拌头转速的关系,结果表明,在搅拌摩擦焊接过程中,后退侧的材料流动较前进侧更为剧烈,并且随着搅拌头转速的增加,材料流动也会得到不同程度增强,搅拌头前方的材料在搅拌头的推动作用下向上涌起,被旋推到搅拌头后方并向下运动,该过程的周而复始是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因,等效塑性应变等值线的形状与材料热影响区,热力影响区以及搅拌区的边界形状具有较好的对应关系,随着搅拌头转速的增加,等效塑性应变随之增加。     

焊接参数对搅拌摩擦焊搅拌区材料融合的影响

用率相关本构模型模拟了搅拌摩擦焊接过程,研究了焊接参数的变化对搅拌摩擦焊接构件横截面上材料变形的影响.通过对不同过程参数下等效塑性应变的研究,分析了搅拌区及热力影响区内焊缝中心线两侧材料的融合情况,根据变形分布,从理论上判断焊接参数的变化对焊接质量产生的影响.结果表明,在靠近焊接构件下部材料的融合随着搅拌头转速的增加和焊速的减小趋于良好,但是搅拌头转速过高有可能导致焊接缺陷的产生.     

Modeling the Material Flow and Heat Transfer in Reverse Dual-Rotation Friction Stir Welding

Reverse dual-rotation friction stir welding (RDR-FSW) is a novel modification of conventional friction stir welding (FSW) process. During the RDR-FSW process, the tool pin and the assisted shoulder are separated and rotate with opposite direction independently, so that there are two material flows with reverse direction. The material flow and heat transfer in RDR-FSW have significant effects on the microstructure and properties of the weld joint. A 3D model is developed to quantitatively analyze the effects of the separated tool pin and the assisted shoulder which rotate in reverse direction on the material flow and heat transfer during RDR-FSW process. Numerical simulation is conducted to predict the temperature profile, material flow field, streamlines, strain rate, and viscosity distributions near the tool. The calculated results show that as the rotation speed of the tool pin increases, the temperature near the tool gets higher, the zone with higher temperature expands, and approximately symmetric temperature distribution is obtained near the tool. Along the workpiece thickness direction, the calculated material flow velocity and its layer thickness near the tool get lowered because the effect of the shoulder is weakened as the distance away from the top surface increases. The model is validated by comparing the predicted values of peak temperature at some typical locations with the experimentally measured ones.     

Modeling of material flow in friction stir welding process

This paper presents a 3D numerical model to study the material flow in the friction stir welding process. Results indicate that the material in front of the pin moves upwards due to the extrusion of the pin, and then the upward material rotates with the pin. Behind the rotating tool, the material starts to move downwards and to deposit in the wake. This process is the real cause to make friction stir welding process continuing successfully. The tangent movement of the material takes the main contribution to the flow of the material in friction stir welding process. There exists a swirl on the advancing side and with the increase of the translational velocity the inverse flow of the material on the advancing side becomes faster. The shoulder can increase the velocity of material flow in both radial direction and tangent direction near the top surface. The variations of process parameters do have an effect on the velocity field near the pin, especially in the region in which the material flow is faster.     

搅拌针形状影响搅拌摩擦焊过程金属塑性流动规律的数值模拟

考虑材料参数随温度的变化关系以及搅拌工具的实际结构,利用Fluent流体力学软件建立了搅拌摩擦焊的有限体积模型,对搅拌针的形状影响材料塑性流动行为的规律进行了研究.结果表明,材料的流动速度随着到焊件表面以及到搅拌针旋转轴的距离增加而减小;当减小搅拌针的锥角以及减小搅拌针的螺纹槽宽度时,焊件内部材料的流动速度得到提高.当搅拌工具在焊接过程中顺时针旋转时,对于左螺旋搅拌针,搅拌针附近的材料向下流动,而热力影响区材料的流动方向向上,此规律与右螺旋搅拌针时相反.