铝合金FSJ接头弧纹形成过程及主要影响因素分析

轴肩的偏心挤压在铝合金搅拌摩擦接头弧纹形成过程中起到了决定性作用.搅拌摩擦连接弧纹形成的过程是搅拌头偏心产生的长轴挤压软化的金属材料的过程,在长轴挤压下将产生弧纹的弧峰,两次弧峰间将产生弧谷,并且弧纹的产生可以进行数值表征.利用数值仿真对无针搅拌头进行连接过程的模拟可以得到弧纹,并利用试验方法进行了有针和无针搅拌摩擦焊接的对比.结果表明,无针的搅拌头也能产生弧纹,且弧纹的轮廓与有针时相同;弧纹的形成主要是搅拌头轴肩挤压的作用;搅拌头的前进速度越大,搅拌头的旋转频率越慢,则接头的弧纹间距将会越大;弧纹在后退侧形成的夹角比前进侧形成的夹角大.     

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。     

搅拌摩擦焊焊缝表面弧形纹形成模型

建立了搅拌摩擦焊接过程中焊缝表面弧形纹形成过程模型，解释了弧形纹弧峰、弧谷的形成原因。焊接过程中，轴肩与母材表面间所形成的软化层沿着搅拌头的转动方向缓缓向轴肩后方流动。形成了软化薄层，并不断增厚。当轴肩与流动到轴肩后侧的软化层两者界面处的分子间吸附力不足以带动软化层整体向前运动时，软化层外侧的薄层与轴肩脱离，并在随后的冷却过程中硬化而形成弧峰。上述行为在搅拌摩擦焊接过程中反复发生，导致相邻弧峰间产生一凹陷，形成弧谷。焊缝表面相邻弧峰间距与搅拌头行走速度成正比，与搅拌头的转速、轴肩／母材间的摩擦系数成反比。     

搅拌摩擦焊接技术实现非直线焊缝过程中的材料行为分析

采用基于固体力学的有限元方法建立了搅拌摩擦焊接过程的三维数值模型,研究了搅拌摩擦焊接技术在焊接非直线焊缝时材料的流动行为以及焊接过程中的力学特征。结果显示,搅拌焊接构件后退侧材料的流动较前进侧更为剧烈,且越靠近肩台部分材料的流动速度越大,搅拌头向原焊接构件前进侧移动将导致材料流动速度增加,搅拌头平移方向变化的瞬时会明显改变搅拌头周围材料流动速度的分布规律。搅拌探针-焊接构件接触面上的接触压力分布是比较均匀的。     

ZK60镁合金自持式搅拌摩擦焊工艺

采用直径为16 mm且表面刻有逆时针旋转的螺旋槽的轴肩,直径为6 mm的圆柱形光面搅拌针且沿长度方向加工三个对称平台的自持式搅拌摩擦焊搅拌头,成功进行了3 mm厚ZK60镁合金薄板自持式搅拌摩擦焊,研究了焊接参数对接头表面成形、缺陷的形成及力学性能的影响。研究结果表明,搅拌头旋转速度为600 r/min不变,焊接速度较低时,接头上、下表面产生沟槽缺陷,增大焊接速度获得表面无缺陷的接头,过分增加焊接速度,在前进侧和后退侧分别形成线状缺陷和孔洞缺陷,接头的力学性能随焊接速度的增大线增大后减小;采用焊接速度为400 mm/min不变,采用较低的搅拌头旋转速度时,接头表面鱼鳞纹均匀、成形美观、接头表面和内部均无缺陷,旋转速度过分增大,鱼鳞纹粗糙,在前进侧和后退侧接头内部分别产生线状缺陷和孔洞缺陷,接头力学性能随搅拌头旋转速度增大而减小。接头最大的抗拉强度为270 MPa,断后伸长率为8.92%,接头强度系数达到87%。     

搅拌摩擦焊接头形成过程分析

基于搅拌摩擦焊三维模型的切面分析方法,建立了焊接过程中接头切面的演变行为,将搅拌摩擦焊接头形成过程分为挤出阶段、迁移阶段、回填阶段和轴肩作用阶段四个阶段,对搅拌针作用下材料迁移过程进行了分析,指出挤出阶段将原始对接面及其表面氧化物迁移到后退侧,迁移阶段实现洋葱环层状组织的形成,并实现氧化物的碎化、弥散,回填阶段完成洋葱环形貌的最终成形.结果表明,采用切面分析法建立的接头形成过程四阶段能够较好地解释搅拌摩擦焊接头形成机制以及"S线"等缺陷的产生原因.     

2219铝合金搅拌摩擦焊“弱连接”缺陷的制备及表征

搅拌摩擦焊焊缝金属的塑性流动与工件表面状态对焊缝的微观组织演化及焊缝缺陷形成有着十分重要的影响,采用"示踪铜箔"探索了可视化示踪材料紫铜箔在搅拌摩擦焊接头内的迁移行为。为进一步分析和证明搅拌摩擦焊接头"弱连接"缺陷形成机制,进行了2219铝合金(阳极化处理)的搅拌摩擦焊试验。结果表明,焊件表面未清理的氧化膜在搅拌摩擦接头内形成了一条始于后退侧、而在前进侧取向发生逆向延伸的黑色流动迹线,即"S"线弱连接缺陷。     

铜与不锈钢搅拌摩擦焊搭接接头的显微组织

采用搅拌摩擦焊方法实现T2紫铜和不锈钢异种金属的焊接,得到外观成形良好、变形小的搭接接头。通过金相、能谱扫描分析焊接接头组织。结果表明:紫铜-不锈钢搭接接头后退侧塑性较好的紫铜金属材料从上往下流动形成层状流线,在焊缝交界处与塑性较差的不锈钢金属材料形成具有模糊界线的区域组织;焊核区上表面组织为细小的等轴晶,紫铜侧组织由于受高温时间较长,为粗大的等轴晶,钢侧组织受搅拌针端部作用形成再结晶晶粒,交界处出现涡流交迭形状;前进侧有两种组织形貌,即铜基混合条带和钢基混合条带;紫铜-不锈钢异种材料焊接时在不锈钢侧存在搅拌头磨损后脱落的元素成分。     

搅拌摩擦焊接头“洋葱环”层状结构形成机制探索

"洋葱环"形貌是搅拌摩擦焊接头中搅拌针作用区的固有特征,基于对搅拌针三维模型的形貌提取和修正,构建了搅拌摩擦焊接头"洋葱环"层状结构模型,通过模型叠加与剖切分析,获得了搅拌摩擦焊接头沿不同方向剖切后层状结构模型,所获得的模型与实际焊接接头层状结构形貌相一致。基于层状模型分析,将搅拌摩擦焊接头"洋葱环"层状结构形成过程分为"迁移阶段"和"回填阶段"两部分。基于三维模型分析,深入揭示了搅拌摩擦焊接头搅拌针作用区"洋葱环"层状结构的形成机制,为深入理解搅拌摩擦焊接头形成过程提供了理论基础。     

Al/Mg异种合金搅拌摩擦连接材料流动可视化和数值模拟研究

在搅拌摩擦焊接（FSW）过程中,连接区金属材料的流动模式与接头组织的形成密切相关,对接头力学性能有着至关重要的影响。本文采用切片法研究了搅拌摩擦焊接接头的材料流动。通过对接头的三维重建,实现了流动材料的可视化,讨论了接头材料的流动模式和缺陷产生的原因。基于计算流体力学(CFD)和多相流理论,本文建立了FSW过程中铝合金/镁合金材料流动的三维数学模型。通过在数值模型中加入分布的示踪粒子,对不同连接参数下的材料流动模式进行分析和预测。结果表明：接头上部材料流动强烈,材料整体向前进侧迁移,接头中部前进侧镁合金向接头前部迁移,暂时形成的空腔由后退侧迁移来的铝合金填充。当不恰当的工艺参数使材料流动不充分时,未被完全填充的空腔会形成孔洞缺陷。接头整体材料主要以层流为主。在满足材料流动热输入需要时,接头材料的流动模式基本不发生改变,在高转速过热条件下,材料的迁移距离和混合模式会发生改变,两材料围绕搅拌头以层流模式多次越过对接线并充分混合,同时在后退侧产生紊流现象。     

3D visualization of the material flow in friction stir welding process

0IntroductionThe friction stir welding(FSW),a new solid-statewelding process invented by TWI in1991,is perhaps themost remarkable and potentially useful new welding tech-nique.In the welding process,the base metal doesn’tmelt,so great advantages can be a…     

T形接头角接静轴肩搅拌摩擦焊三维流动特征

在T形接头横截面方向预置0.1 mm铜箔作为示踪材料，进行了角接静轴肩搅拌摩擦焊，焊后对T形接头角焊缝进行X-ray 2D透射和X-ray 3D扫描，得到了角焊缝示踪材料的2D流场和3D流场. 在前进侧热塑性材料主要以摩擦剪切为主，材料流动主要向焊接方向流动，并流向前进侧后方，后退侧材料主要以挤压为主，由于T接搅拌针螺纹的存在，使得材料整体向后退侧下方流动. 同时发现，在T接静轴肩后沿附近下方存在示踪材料"堆积区"，表明T接静轴肩对附近的材料塑性流动存在一定的阻碍作用. 根据所获得的观察结果，建立了T形接头角焊缝的三维流动主要特征模型.     

铝合金双轴肩搅拌摩擦焊过程材料流动行为

由于下轴肩的引入,双轴肩搅拌摩擦焊(BT-FSW)过程中的材料流动行为较常规搅拌摩擦焊更为剧烈和复杂,显著影响接头力学性能.以2219铝合金为研究对象,基于耦合欧拉-拉格朗日方法建立了BT-FSW过程三维热力耦合模型,并利用示踪粒子技术分析了焊接过程中材料的流动行为.结果表明,BT-FSW过程中的材料流动存在不同时性,...     

Microstructure and Mechanical Properties of Friction Stir Welded 5083 and 7075 Aluminum Alloys

Through microscopy, mechanical testing, and numerical modeling, the microstructure and mechanical performance of friction stir welded aluminum alloys 7075-T651 and 5083-H111 were characterized. In particular, the influence of the weld configuration, i.e., the locations of the 7075 and 5083 alloys alternately on the advancing and retreating sides, on material flow, microstructure, and mechanical properties was considered. Thermographic data in conjunction with a process simulation demonstrated that the weld configuration significantly impacts heat generation during friction stir welding. The microstructure in the stir zone was a clear visualization of the material flow and was characterized by a vortex-like structure with alternating bands of the alloys being joined. These bands differed in elemental content and grain size. The microstructure became more complex when greater heat generation (higher temperatures) occurred. The weld configuration strongly influenced the material flow, but did not impact the tensile properties (such as yield strength, tensile strength, and elongation). The configuration of 5083 on the advancing side and 7075 on the retreating side produced the most uniform material flow. The joint efficiencies of all tested welds were above 100%.     

Materials flow and phase transformation in friction stir welding of Al 6013/Mg

Material flow and phase transformation were studied at the interface of dissimilar joint between Al 6013 and Mg, produced by stir friction welding (FSW) experiments. Defect-free weld was obtained when aluminum and magnesium were placed in the advancing side and retreating side respectively and the tool was placed 1 mm off the weld centerline into the aluminum side. In order to understand the material flow during FSW, steel shots were implanted as indexes into the welding path. After welding, using X-ray images, secondary positions of the steel shots were evaluated. It was revealed that steel shots implanted in advancing side were penetrated from the advancing side into the retreating side, whereas the shots implanted in the retreating side remained in the retreating side, without penetrating into the advancing side. The welded specimens were also heat treated. The effects of heat treatment on the mechanical properties of the welds and the formation of new intermetallic layers were investigated. Two intermetallic compounds, Al₃Mg₂ and Al₁₂Mg₁₇, were formed sequentially at Al6013/Mg interface.     

搅拌摩擦焊接头形成过程的二维观察与分析

用紫铜作标示材料，进行了LF6铝合金的搅拌摩擦焊试验，焊后在与焊缝表面平行的截面上，观察了标示材料在焊缝中流动的痕迹。结果表明，搅拌摩擦焊过程中，焊缝材料在水平面的流动与焊缝中心是不对称的，在焊缝的前进边，材料既向搅拌头前方流动也向搅拌头后方流动；在焊缝的返回边，材料只是向搅拌头后方流动，且有部分材料进入前进边。根据试验观察结果，建立了焊缝金属在水平面上的二维挤压模型，并用运动分解、合成的方法研究了探针周围热塑性材料的流动趋势，模拟了标示材料在焊接过程中的流动状态，模型能较好地解释试验所观察到的现象。     

Deformation analysis of a friction stir-welded thin sheet aluminum alloy joint

The deformation characteristics of a friction stir welded thin sheet aluminum alloy joint were analyzed via numerical simulations.The simulated results were compared with the experimental results obtained for the deformation of actual welded joints. The results revealed that the deformation of the joint was described by an asymmetric distribution with a large deformation region occurring mainly in the advancing side. This asymmetric deformation was mainly caused by the direct mechanical force ap...     

单静止上轴肩BT-FSW工艺过程及成形机理

采用双轴肩搅拌摩擦焊对4 mm厚6056铝合金进行了焊接,分析了接头不同特征区的显微组织和力学性能的非均匀特性. 结果表明,接头横截面等效应变呈哑铃状,与焊缝横截面宏观形貌一致;接头横截面沿焊缝中心左右两侧塑性应变呈非对称分布状态,其中接头前进侧的塑性应变值高于后退侧;搅拌区靠近前进侧和中间位置的大角度晶界比例高于后退侧,前进侧和中间位置主要为B型相似文献