K418涡轮盘与42CrMo轴异种材料惯性摩擦焊研究

采用惯性轴向摩擦焊技术对镍基K418高温合金与42CrMo调质钢两种异种材料进行了焊接工艺试验,并分析焊接接头的显微组织,测试其力学性能.结果表明,惯性摩擦焊过程中发生摩擦面转移现象,碳原子扩散导致K418侧含有少量非连续网状碳化物,焊接界面两侧硬度均匀过渡,焊接接头抗拉强度均在750 MPa以上,整体抗拉强度高,获得了优良的焊接接头,惯性摩擦焊工艺适合于焊接异种材料.     

基于三维双塑性体摩擦副模型的FGH96高温合金管惯性摩擦焊数值模拟

基于弹塑性有限元理论,采用三维塑性体/塑性体摩擦副模型,考虑实际焊接过程中两侧工件散热条件的差异,建立了FGH96高温合金管惯性摩擦焊过程有限元模型,计算了焊接过程中瞬态温度场和轴向应力场的分布,研究了初始转速、顶锻力和转动惯量对接头温度场和飞边形貌的影响。模拟的飞边形貌与试验所得焊件误差仅为5%,验证模型的可靠性。模拟结果表明,惯性摩擦焊过程中,摩擦界面升温迅速,峰值温度可达1 335 ℃,塑性变形主要发生在距界面4 mm的区域内,该区域轴向温度梯度较大。摩擦界面附近压应力值从中心到边缘逐渐降低,界面边缘应力状态由压应力转变为拉应力,飞边根部由于挤压变形,存在压应力集中。提高初始转速和转动惯量均能增加焊接热输入,延长摩擦时间,提升峰值温度,增加飞边挤出量;加大顶锻力可提高机械能转化成热能的效率,缩短摩擦时间,增加轴向缩短量和飞边卷曲度。 创新点： 塑性体/塑性体有限元模型能够综合考虑接触面力的相互作用,采用更符合实际的三维双塑性体模型,对FGH96高温合金环形工件惯性摩擦焊过程进行了数值模拟。     

焊接工艺参数对LF5铝合金搅拌摩擦焊温度场的影响

以LF5铝合金为研究对象,利用有限元软件MSC.Marc建立了平板对接接头搅拌摩擦焊过程的有限元模型,分析了焊接过程的温度场.结果表明:由于热传导区域范围的减少,当焊接热源接近平板端部时焊缝区域的温度峰值上升,不利于接头性能;当焊接速度减少或搅拌头的旋转速度升高时,焊接过程中的温度峰值升高甚至超过母材熔点.综合考虑实际工程效率与温度场影响接头质量的规律,给出了搅拌摩擦焊焊接工艺参数的优选方法.     

异质钛合金线性摩擦焊接头形成过程及组织特征

对TC4和TC17异质钛合金线性摩擦焊接头形成及接头组织特征进行分析,并测量了动态平衡阶段的界面温度.结果表明,在摩擦初期界面容易产生大的磨损颗粒,摩擦过渡阶段两侧基体材料产生大的塑性变形,大的磨损颗粒被细化,摩擦界面开始产生高温粘塑性金属;动态平衡摩擦阶段高温粘塑性金属被均匀的挤出界面形成飞边,焊后界面两侧组织被细化.测温结果显示,摩擦过程中界面温度超过1 200℃,高于两基体材料的相变温度,TC17侧焊缝中形成再结晶β晶粒,TC4侧形成典型的魏氏组织,焊缝两侧的热力影响区产生明显的变形,组织均被拉长.     

6061铝合金搅拌摩擦焊接温度场及性能分析

6061铝合金的搅拌摩擦焊接接头大体分为五个区,每个区域经历的热循环作用不同,各个区域微观组织及力学性能不同。采用传统的热电偶测温的方法难以测量焊接接头各区域,特别是焊核区的热循环。采用实际测量和有限元计算相结合的方法研究搅拌摩擦焊接的温度场。使用热电偶测温的方法测量除焊核区之外的各个区域的温度,通过JMAT软件得到材料的热物理属性,并利用ANSYS热分析得到搅拌摩擦焊接各个区域的温度。通过理论计算和现实测量结果得到常规焊接方法无法得到的焊核区的温度。结合6061铝合金TTP曲线以及各个区域所经历的热循环,分析6061铝合金搅拌摩擦焊接各区力学性能。     

35Ni4Cr2MoA钢锻件连续驱动摩擦焊温度场及变形数值模拟研究

基于Abacus大型有限元分析软件,对35Ni4Cr2MoA空心轴环形工件连续驱动摩擦焊温度场和变形进行了模拟,对摩擦和顶锻阶段的温度场及变形规律进行了分析,并采用热电偶分析法对连续驱动摩擦焊工件表面的热循环进行了实测。结果表明,在摩擦阶段,最高温度在圆环外侧,随焊接时间增加,接触面温度不断升高,高温区域逐渐扩大,1260℃左右时界面金属发生屈服而形成焊接飞边,界面温度处于动态平衡,稳定在1260℃附近;在顶锻阶段,随时间增加,界面温度逐渐降低,高温区域缩小,温度在径向呈均匀分布,焊接飞边和轴向缩量均较摩擦阶段增大;在整个焊接过程中,界面各点温度先快速升高,后保持稳定,最后逐渐下降。热循环模拟结果与实测结果吻合较好,所建立的摩擦焊数值模型是可靠的。     

TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的温度场模拟

建立了TC4钛合金搅拌摩擦搭接焊的有限元模型,基于温度测试结果设置了搅拌摩擦搭接焊的边界条件,进行了搅拌摩擦搭接焊温度场的数值模拟,并对温度模拟结果与测温试验结果进行了对比。结果表明,温度模拟曲线与实测温度曲线趋势相同,二者的焊接温度峰值相差较小;焊接温度峰值随焊接速度的增加而减小。焊缝温度峰值出现在与搅拌头直接接触的区域,位于搅拌头作用区的后方。焊缝区域的温度场沿板厚方向呈上宽下窄的碗型形貌分布。     

曲面件搭接接头搅拌摩擦焊温度场的数值模拟及参数优化

采用点点之间连接的方法实现了曲面结构件的搅拌摩擦焊焊接热源模型的加载,研究了飞机中蒙皮与桁条结构的搅拌摩擦焊搭接接头温度场的动态变化过程.结果表明,随着焊接速度的减小、旋转速度的增加以及搅拌头压力的提高,搅拌摩擦焊过程中的温度峰值升高,焊缝区域的高温区域扩大.从提高材料流动性以及避免出现熔焊的角度,提出了搅拌摩擦焊焊接工艺参数的优化方案.     

焊接温度场的工控机同步采样系统

为了检测焊接过程中接头区域的温度变化,本文利用热电偶和工控机等组建了温度场检测的硬件系统,并采用C++语言编写了相应的数据采集和数据处理程序,建立起了焊接温度场同步采样系统,并运用本系统对惯性摩擦焊的温度场进行了实际测量,试验结果表明,该系统能够有效地对焊接温度场进行实时多路同步检测.     

Inconel 718合金惯性摩擦焊温度场三维有限元数值模拟

根据能量守恒定律,在考虑摩擦面上周向摩擦对转速影响的基础上,提出了惯性摩擦焊的热输入模型,建立了Inconel 718合金惯性摩擦焊的三维有限元热力耦合模型,通过计算获得了其焊接过程中温度场的空间分布和时间分布,并分析了其变化特点.用基于热电偶的温度场检测系统对焊接过程中温度进行了实时检测,结果表明计算数据和试验结果基本吻合,这说明了该模型的可靠性,可以为Inconel 718惯性摩擦焊工艺参数的优化提供有效的依据.     

等温变形对惯性摩擦焊IMI834/Ti6246双钛合金组织与性能的影响研究

采用惯性摩擦焊与等温变形相结合的复合技术制备出IMI834/Ti6246双钛合金缩比盘,分析了等温变形对惯性摩擦焊双钛合金缩比盘组织与性能的影响。结果表明：IMI834/Ti6246双钛合金经惯性摩擦焊后焊缝组织细小,但两侧热影响区内组织粗大,超声波无损检测发现焊后双合金缩比盘内局部存在有缺陷。而IMI834/Ti6246双钛合金经等温变形后,焊后缺陷得到有效消除,焊缝两侧热影响区组织发生了明显改变,中心焊缝和两侧热影响区过渡更加均匀。惯性摩擦焊IMI834/Ti6246双钛合金缩比盘等温变形后焊缝得到有效强化,惯性摩擦焊+等温变形工艺可用于制备高性能双钛合金盘件。     

气阀钢摩擦焊焊缝的组织结构

气阀钢２１－１２Ｎ与４Ｃｒ１０Ｓｉ２Ｍｏ的摩擦焊焊缝存在机械混合区，微扩散区和局部区域的相变区，但不存在熔化区，在强烈机械变形作用下，紧靠摩擦焊接触面两侧为超细薄或细晶区，接着是再结晶区，回复区和形变区，但它们在接触面两侧的具体情况并不完全相同。     

镁合金AZ31搅拌摩擦焊塑性流体流动

在AZ31镁合金待焊表面镀一层很薄的铜层来研究塑性材料的流动情况。试验结果表明，搅拌头首先搅动前进面的材料，使它们进入围绕搅拌头旋转和移动的区域；旋转区域的材料运动成螺旋状，在搅拌头的活动区域，材料旋转、前进、下降，而在旋转区域之外，材料向上运动。     

Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头热力演变

采用热电偶—蓝牙技术测量了Cu-Cr-Zr合金连续驱动摩擦焊接头特征点的温度,并研究接头温度与组织演变的关系. 结果表明,各特征点温度均存在一定程度的滞后现象;沿工件径向, 2/3R区温度最高;沿工件轴向,摩擦界面处温度最高;旋转工件的温度略低于移动工件. 在热力耦合作用下,接头焊合区形成细小的等轴晶粒,热力影响区晶粒被不同程度拉长,呈塑性流线.从轴心到外径动态再结晶区的宽度增加,晶粒粗化,而与其相邻的热力影响区径向塑性流动的趋势减小. 此外,与旋转端相比,移动端接头具有较高的峰值温度和再结晶峰值宽度,所对应的焊合区晶粒也较为粗大.     

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.     

镁/铝层合板FSW接头微观组织及力学性能

文中采用搅拌摩擦焊 (FSW)方法对Mg/Al层合板进行单面、双面对接方式焊接,对接头的微观组织和力学性能进行测试. 结果表明,随着焊接速度和搅拌针旋转速度的增加,焊缝表面成形良好,接头不同区域未见气孔、裂纹等缺陷,物相主要由Mg₁₇Al₁₂,Mg₂Al₃和MgAl等组成,接头部位的晶粒尺寸得到明显细化,产生了动态再结晶,金属间化合物的形成有利于动态再结晶的形核. Mg/Al层合板双面FSW焊接头的拉伸强度和断后伸长率高于单面焊接接头的强度和断后伸长率,主要是由于接头部位金属间化合物的数量和分布不同,抑制接头部位金属间化合物的形成有利于提高Mg/Al层合板FSW接头的性能.     

铝合金搅拌摩擦焊过程热力演变的三维数值模拟

对搅拌摩擦焊过程中搅拌头速度变化进行分析,建立了考虑搅拌摩擦焊过程中焊缝产热的热源模型.对2024铝合金搅拌摩擦焊温度场和应力场进行了三维有限元模拟,表明焊缝两侧温度和应力分布的不对称现象不明显,主要由于焊接速度远小于搅拌头转速所致,但随着焊接速度加快,这种不对称现象逐渐加强.焊接过程中焊缝中心温度低于搅拌头边缘温度,焊接前方和两侧均为压应力,后方为拉应力;焊接结束后与搅拌头接触区的横向和纵向残余应力为较大拉应力,远离焊缝残余应力较小;沿厚度方向上,横向和纵向残余应力均逐渐降低.有限元计算结果与短波长X射线应力测试结果进行对比,结果表明,二者趋势基本吻合.     

焊接电流对Ti2AlNb/TC18焊接界面性能及元素扩散的影响

采用真空电子束焊接对Ti2AlNb和TC18合金进行连接,研究了不同焊接电流时焊接界面的性能及元素扩散情况。结果表明:焊接接头在室温和高温下均获得了较高的抗拉强度。采用同一电流焊接时,TC18侧热影响区的显微硬度值高于该合金基体却低于该侧焊缝区,而Ti2AlNb合金侧热影响区的显微硬度值均高于该侧焊缝区和Ti2AlNb合金基体;在28 mA的焊接电流下,焊接界面的整体显微硬度值均较高,这是因为焊接界面形成了含量较多且尺寸较小的α′马氏体和O相,对界面起到了强化作用。在不同的焊接电流下,合金元素均在焊缝和两侧母材交界处存在较大的浓度梯度,其原因是焊缝金属的快速凝固使得各合金元素没有足够的时间和能量进行充分扩散。     

高氧TC4/TC17钛合金线性摩擦焊接头组织特征及力学性能

对高氧TC4/TC17异质钛合金进行线性摩擦焊试验,研究了焊接接头各区域组织特征、焊接界面合金元素扩散行为及力学性能. 结果表明,焊接过程中焊缝区发生了相变及动态再结晶,形成细小的等轴晶粒. 高氧TC4侧焊缝区形成针状马氏体,TC17侧形成亚稳定β相;两侧热力影响区晶粒均发生了破碎,沿着振动方向拉长. 焊后冷却阶段在焊合线附近出现合金元素扩散现象,扩散区域狭窄. 焊缝中心处显微硬度值最高达到420 HV,高氧TC4侧显微硬度随着靠近母材而逐渐降低;TC17侧显微硬度随着远离焊缝中心迅速升高. 拉伸性能测试结果表明,接头抗拉强度与高氧TC4母材相当.     

耗材摩擦焊接过程热力耦合分析

以AA6061铝合金为试验对象,基于ABAQUS/Explicit建立耗材摩擦焊三维完全热力耦合模型,分析温度场、等效塑性变形场、轴向缩短量和飞边形状,结果表明,焊接温度低于材料熔点为固相连接,焊接过程塑性金属大量挤出,形成蘑菇头形状的飞边,飞边温度处于480 ℃左右;在稳定焊接阶段,前进侧温度高于返回侧,在垂直于焊缝方向上,焊棒高温区大于焊板高温区,温度分布的不均使得涂层边缘处结合不良. 高温区域趋于稳定后,轴向缩短量和时间呈近线性关系,焊接结束时轴向缩短量为7.5 mm,高温区和塑性变形区都集中在摩擦界面附近的堆积区域.