7A52铝合金搅拌摩擦焊的焊缝成形

针对7．6mm厚的7A52铝合金，研究了搅拌头的形状和焊接工艺参数对焊缝成形的影响，分析了搅拌摩擦焊缺陷产生的原因。结果表明，搅拌头的形状决定了焊接时焊缝成形的旋转速度范围；搅拌头旋转速度、焊接移动速度、焊接倾角、搅拌头轴肩压入被焊接件表面深度等都对搅拌摩擦焊焊缝成形有重要影响，只有合适的工艺匹配才能保证焊缝成形良好。     

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.     

伸缩式搅拌头厚铝板搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺

采用伸缩式搅拌头对25 mm板厚2219-T6铝合金进行搅拌摩擦焊,在多道补焊时避免搅拌头轴肩的二次下压量造成的底部焊穿。对25 mm板厚2219-T6搅拌摩擦焊焊缝的微观组织、材料缺失型缺陷及弱连接型缺陷进行观察。结果表明:焊缝沿厚度方向分为轴肩影响区和搅拌针影响区,焊接参数的变化与这两区域中缺陷的产生存在一定关系,焊缝中的材料缺失型缺陷遵循一定的体积守恒关系。利用伸缩式搅拌头制备不同尺寸的焊缝根部未焊透缺陷,发现未焊透的深度与焊缝抗拉强度呈非线性关系。在统一的焊接参数规范下,调整搅拌针伸出长度进行多道焊,研究多道补焊工艺对焊缝组织性能的影响。     

铝合金搅拌摩擦焊热源模型建模专家系统

在铝合金搅拌摩擦焊三维体积热源模型建模过程中,轴肩、搅拌针侧面以及搅拌针底面摩擦产热的热流密度加载范围存在不确定性,需校核确定,增加了建模难度与工作量.针对该问题,建立三维搅拌摩擦焊热源模型,并确定其不确定热源模型参数,研究了这些参数变化对模拟焊缝温度的影响规律.在此基础上,基于参数变化影响规律建立了搅拌摩擦焊热源模型...     

AA5083铝合金的搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热输入的影响(英文)

采用系统实验设计方法研究AA5083铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对搅拌头受力和热量输入的影响,得到了用来设计搅拌摩擦焊搅拌头和焊机的经验模型。当采用计算机来控制搅拌摩擦焊接时,这些模型可用来确定AA5083这类铝合金的摩擦焊接工艺参数、编制焊接程序及工艺参数控制。结果表明:影响轴向力和热量输入的重要参数是搅拌头转速、焊接速度和搅拌头轴肩直径,而影响纵向应力的重要参数是焊接速度和探头直径。     

三维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圆柱体,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.计算结果表明,在焊缝上部表面附近,由于搅拌头轴肩的影响,材料流动比较混乱,发生多次绕流现象;焊缝下部材料流动规律性较明显:只有很少一部分靠近搅拌头探针的材料在焊接过程中受到探针的作用而发生变形和流动,在大多数的模拟条件下,探针直径范围内的材料仅仅在回撤边一侧沿旋转方向绕过探针.焊缝中部具有底部和上部材料的流动特点,是探针和轴肩共同影响的结果.采用"标记嵌入技术"对焊缝金属流动进行可视化研究,试验结果与模拟结果进行了验证,模拟结果能很好地预测塑性金属流动趋势.     

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。     

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%。     

2219铝合金搅拌摩擦焊温度场的三维实体耦合数值模拟

为更贴近实际的模拟搅拌摩擦焊焊接过程中复杂的热力行为,试验通过建立三维搅拌摩擦焊过程数学模型,采用三维实体耦合的有限元方法来分析2219铝合金搅拌摩擦焊热过程和温度场分布.结果表明,搅拌摩擦焊焊缝的温度场梯度呈现上密下疏,前密后疏的分布状态,最高温度位于后退侧的搅拌针与轴肩的过渡区,焊缝后退边的温度高于前进边,搅拌针底部温度超过2219铝合金的再结晶温度,可确保对接接头根部形成紧密焊缝,模拟结果为研究搅拌摩擦焊的机理和优化搅拌摩擦焊焊接工艺提供了支持.     

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。     

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。     

搅拌摩擦焊接中参数变化对温度场分布的影响

文章建立了搅拌摩擦焊接过程的三维有限元热分析模型,讨论了旋转速度、搅拌头半径、轴肩半径、搅拌针锥角以及螺纹角等焊接参数对工件温度场的影响。计算结果表明,在焊接过程中,工件的最高温度低于熔点,为固相连接。在焊接工艺参数许可的范围内,旋转速度和搅拌针半径的增加,会使搅拌摩擦焊接过程中的最高温度值增加,而锥角和螺纹角增加,会使最高温度值随之减小,轴肩半径的改变对工件温度场的影响相对较小。     

铝合金搅拌摩擦点焊接头塑化金属流动形态分析

在搅拌摩擦点焊过程中,塑化金属的流动形态是影响焊点成形及接头力学性能的主要因素。通过采用镶嵌标识材料的方法,研究了搅拌摩擦点焊过程中接头塑化金属的流动形态。结果表明,在焊点横截面上,匙孔两侧塑化金属发生塑性变形的宽度基本相同,从焊点表面到底面,塑性变形区宽度逐渐减小。在焊点的上部,塑化金属主要受轴肩的作用,在轴肩摩擦力和材料之间的剪切力作用下沿搅拌针旋转的方向运动,随着距焊点表面距离的增大,塑化金属沿搅拌针旋转方向的运动趋势逐渐减小。搅拌针周围的塑化金属在搅拌针螺纹向下的压力作用下,以螺旋状向焊点底部运动,运动到焊点底部后受底板的阻碍和未塑化金属的挤压作用从搅拌针四周向焊点上部运动。     

搅拌摩擦焊接三维流动模型

建立了搅拌摩擦焊焊接过程中塑性软化层的流动行为物理模型,该模型根据不同部位的流动特点将软化层的流动分成三部分,轴肩端面附近的软化层流动、搅拌针上部的软化层流动和搅拌针端部附近的软化层流动行为。轴肩端面附近的软化材料首先流入搅拌针行进过程中于搅拌针后部形成的空腔内,剩余软化材料围绕着轴肩侧面缓缓地由前进侧流动到搅拌针的后部,并于轴肩后部侧表面上形成了焊缝表面弧形纹的弧峰;搅拌针上部附近的软化层以剪切的方式从搅拌针前部流动到搅拌针后部;搅拌针端部附近的软化层以挤压的方式从搅拌针的前部流动到搅拌针的后部。     

搅拌工具尺寸和工艺参数对塑料搅拌摩擦焊焊缝质量的影响

用不同尺寸的搅拌工具对聚氯乙烯(PVC)板材进行了搅拌摩擦对接焊工艺试验.试验证明,在搅拌工具肩部直径为30 mm,搅拌头直径为10 mm,搅拌头旋转速度为1 660 r/min,焊接速度为25 mm/min的情况下,可以得到焊缝饱满、成形美观的焊接接头.提高搅拌头的旋转速度可以成比例地提高焊接温度;焊接速度的影响较复杂,增大焊接速度一方面会降低焊接热输入,一方面又会间接地增大搅拌头的进给阻力,从而增大摩擦发热功率,提高焊接温度;搅拌工具肩部直径直接影响肩部与被焊材料表面的摩擦发热功率,增大肩部直径可以提高焊接温度,还有利于阻止焊缝材料的飞溅和外溢;而搅拌头直径的影响较复杂,增大它既可以提高搅拌头侧面与被焊材料之间的相对运动线速度,从而提高焊接温度,又会增加被焊材料的吸热功率和传热面积,从而降低焊接温度.     

Analysis of effect of tool geometry on plastic flow during friction stir spot welding using particle method

The effect of tool geometry on the plastic flow and material mixing during friction stir spot welding (FSSW) is investigated using the particle method approach. For spot welds made with a cylindrical pin tool with flat shoulder, the model predicts the material flow at the pin periphery to be in the upward direction and the material is pushed downward beneath the shoulder giving rise to the resultant hook geometry. Other pin geometries evaluated include tapered pin, inverse tapered pin, triangular pin, convex shoulder, and concave shoulder. With good correlation with experimental trials, this model is then used to predict the material flow for spot welds. The material flow, and thereby the resultant hook formation, is quantified using numerical methods and is expressed as standard deviation of the particle movement. A triangular pin with a concave shoulder is the preferred tool geometry from the current study that results in high strength spot welds.     

Effects of shoulder on interfacial bonding during friction stir lap welding of aluminum thin sheets using tool without pin

To separately investigate the potential effects of shoulder on increasing interfacial bonded area and its mechanism,friction stir lap welding(FSLW)of 1.8 mm thick Al sheets without and with insert(copper foil or Al-12Si powders)was conducted using a special tool without pin,respectively.All the FSLW joints(without insert)fractured within top sheet but not along faying surface,suggesting that the shoulder plays an important role comparable or superior to pin in FSLW of thin sheets.Using several specially designed experimental techniques,the presence of forging and torsion actions of shoulder was demonstrated.The fracture surface of the joints with inserts indicates that interfacial wear occurs,which results in the oxide film disruption and vertically interfacial mixing over the area forged by shoulder with a larger diameter than a general pin,especially at the boundary region of weld.The boundary effect can be induced and enhanced by forging effect and torsion effect.     

Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6A14V alloy

The rotational tool is put forward, which is composed of the one-spiral-flute shoul-der and the rotational pin with screw. Using the turbulent model of the FLUENT software, material plastic flow behavior during the process of friction stir welding of Ti6Al4V alloy is researched by the numerical simulation method and then the effect of rotational tool geometry on material flow during the welding process is attained. The results show that the flow direction of the material near the rotational tool is mainly the same as the rotational direction of the tool while the material near tool flows more violently than the other regions. For the tapered rotational pin, the flow velocity of material inside the workpiece decreases with the increase of the distance away from the workpiece surface because of the change of pin diameter. For the rotational tool, the flute added to the shoulder and the screw added to the pin can greatly increase the flow velocity of material during the welding process while the peak value of the flow velocity of material appears on the flute or the screw. Moreover, the rotational tool with the one-spiral-flute shoulder is better than the tool with the concentric-circles-flute shoulder. Decreasing the width of pin screw and increasing the diameter of pin tip are both good for the increase of flow velocity.