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。     

2195铝锂合金焊接缺陷固相准等强修复技术

针对2195铝锂合金搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)焊后匙孔缺陷,采用填充式搅拌摩擦焊(Filling friction stir welding, FFSW)开展固相准等强修复。该方法热输入低,界面处材料相互挤压,摩擦充足,材料流动混合充分,界面结合质量高。结果表明,通过额外填充棒的引入,匙孔缺陷得到有效填充,且搅拌摩擦处理有利于对修复区域的二次顶锻,促进修复界面的冶金结合效果。通过焊接工艺参数优化,当旋转速度为1 600 r/min时,修复后接头的抗拉强度为358.1 MPa,达到了优质FSW接头的90.7%;断后伸长率为3.17%,达到了优质FSW接头的90.6%,实现了2195铝锂合金的固相准等强修复。     

2195铝锂合金焊接缺陷固相准等强修复技术

针对2195铝锂合金搅拌摩擦焊(Friction stir welding, FSW)焊后匙孔缺陷,采用填充式搅拌摩擦焊(Filling friction stir welding, FFSW)开展固相准等强修复。该方法热输入低,界面处材料相互挤压,摩擦充足,材料流动混合充分,界面结合质量高。结果表明,通过额外填充棒的引入,匙孔缺陷得到有效填充,且搅拌摩擦处理有利于对修复区域的二次顶锻,促进修复界面的冶金结合效果。通过焊接工艺参数优化,当旋转速度为1 600 r/min时,修复后接头的抗拉强度为358.1 MPa,达到了优质FSW接头的90.7%;断后伸长率为3.17%,达到了优质FSW接头的90.6%,实现了2195铝锂合金的固相准等强修复。     

7B52铝合金叠层复合材料搅拌摩擦焊过程的金属流动

7B52铝合金叠层复合材料(7B52 aluminum laminated composite,ALC)是一种新型材料,由两种7XXX系铝合金组成,本文研究了7B52 ALC搅拌摩擦焊接接头的微观组织。研究结果表明:与完整的洋葱环结构不同,7B52ALC搅拌摩擦焊接头仅仅在焊核区前进侧发现了类似洋葱环的鳞片状结构,而焊核区后退侧无明显图案且叠层结构保持完整。鳞片状结构是由洋葱环叠加和材料横向流动形成的横条纹共同组成的。本文提出了一种搅拌摩擦焊金属流动猜想,即焊核区前进侧和后退侧金属流动方式不同,横条纹是由部分向后移动填充搅拌针后方空腔的螺纹内塑性金属组成的。     

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。     

铝/钢异种金属搅拌摩擦搭接传热与材料流动行为

基于耦合欧拉-拉格朗日有限元法数值模拟了铝合金5052与高强钢DP590搅拌摩擦搭接过程中的温度场演变和材料流动行为。结果表明,有限元预测温度场和焊缝变形轮廓与实验测量结果吻合良好。当移动速度保持300 mm/min恒定不变时,随着转速由500 r/min增至1 000 r/min,搅拌区峰值温度位置由前进侧的轴肩后方的铝合金表面转移至搅拌针底部与钢搅拌区的界面,峰值温度由545℃增加至635℃;在焊接过程中,前进侧温度始终高于后退侧温度,与转速无关。采用示踪粒子法研究材料迁移轨迹,发现前进侧铝合金从更靠近搅拌针的内侧剪切层绕过搅拌针填埋在搅拌针前进侧后方,而后退侧铝合金主要迁移至搅拌针后退侧后方,迁移轨迹比较发散;搅拌针作用在铝/钢搭接面,驱使前进侧钢材料迁移至搅拌针后退侧后方,并在垂直方向上挤入上侧铝合金焊缝区。随着搅拌针转动,由前进侧迁移至后退侧的钢材料最终促使后退侧形成尺寸较大的钩状结构。相比于铝合金侧,转速的增加更为显著地加强了钢表面的材料流动。     

铝合金搅拌摩擦焊材料流场非对称性的数值模拟研究

铝合金搅拌摩擦焊(FSW)过程中,搅拌头附近的材料在高温下发生剧烈的塑性流动。FSW过程中的材料流动直接关系到接头质量。由于运用试验直接观察手段研究固态金属的瞬态塑性流动十分困难,因此数值模拟是研究FSW过程中材料流动行为的重要手段。针对2024铝合金建立了基于计算流体力学(CFD)的材料流动模拟仿真模型,模拟得到了FSW过程中温度、塑性变形等物理量的三维分布。模拟结果与试验结果对比表明,温度场模拟结果与试验结果吻合良好;分析模拟结果发现,搅拌头附近材料应变速率并非对称分布。模拟结果表明,FSW过程中,材料在搅拌针前方分流,在搅拌针后方焊合,分流与焊合位置均位于前进侧;随着焊接速度的提高,焊合难度增大,从而使FSW过程中沟槽缺陷产生的倾向性增大。     

薄板铝合金搅拌摩擦焊接全过程金属流动行为研究

基于固体力学理论,建立6061薄板铝合金搅拌摩擦焊接(FSW)全过程热力耦合模型,利用任意拉格朗日-欧拉(ALE)网格自适应技术和质点跟踪技术模拟研究FSW全过程金属流动行为,揭示搅拌区金属材料的迁移特征。结果表明,搅拌区周围材料主要以旋转绕流及层流的形式向搅拌头后方迁移。上层金属有向下螺旋运动趋势,中部金属有先向上螺旋运动而后向下螺旋运动行为,在靠近焊件底部,金属材料则主要以层流的形式向搅拌头后方迁移。     

铅合金搅拌摩擦焊接接头的组织与性能

本研究采用搅拌摩擦焊接(FSW)技术成功实现了8mm厚铅合金板材的高速焊接,得到了表面美观、无宏观焊接缺陷的FSW接头。结果表明:高转速可以促进前进侧与后退侧材料的充分混合,避免弱结合的产生;焊速加快,在高温下停留的时间短,接头软化程度得到抑制,因此在高转速和高焊速条件下能得到性能更好的铅合金FSW接头。在转速800 r/min、焊速800 mm/min工艺条件下,得到了抗拉强度为34 MPa的铅合金搅拌摩擦焊接接头,其强度达到母材的95%;其均匀伸长率为2.5%,断裂伸长率为7%,其均匀伸长率比母材的要大。     

基于CEL方法的Al/Mg搅拌摩擦焊温度场及材料混合流动研究

本文基于耦合欧拉-拉格朗日(CEL)方法建立5A06铝合金与AZ31B镁合金对接搅拌摩擦焊（FSW）的全热力耦合数值模型,并结合试验测试对Al/Mg异种金属FSW过程的温度场及材料混合流动特征进行研究。数值模拟所得特征点的温度循环曲线、焊缝表面形貌以及横截面上异种材料的混合分布状态均与试验结果吻合良好。在此基础上,采用质点追踪法对材料混合流动行为进行了深入分析。结果显示,高温区集中分布在轴肩下方区域,返回侧(Mg侧)温度较低温度梯度较大。焊缝区上表面材料熔合线偏向于前进侧(Al侧)。搅拌针附近材料流动剧烈,前进侧和返回侧的大部分材料都较均匀地沉积于搅拌针后方。前进侧与返回侧材料在水平和竖直方向上的交叉混合流动,最终形成了两种材料“咬合式”的界面特征。     

预置焊丝对Al/Cu异种FSW T-搭接接头组织和性能影响

在FSW过程中,T型接头的内角热输入低、塑性流动差导致其易出现虫洞、隧道、交界线等缺陷,造成应力集中,很难实现具有良好力学性能的Al/Cu异种焊缝。创新性地将圆角处预置焊丝应用于4 mm厚的6061-T6铝合金和纯铜异种FSW T-搭接接头的连接,以期改善T型接头的内角材料塑性流动,获得具有良好力学性能的接头。分析了3种预置焊丝对Al/Cu异种 FSW T-搭接接头显微组织和力学性能的影响。结果表明,保持焊接速度35 mm/min不变,旋转速度在700~800 r/min条件下,3种预置焊丝接头大针搅拌区都表现出“洋葱环”。阶梯状搅拌头有效抑制了大量筋板材料向壁板的迁移,减少了Al/Cu互混。大针搅拌区由于少量Cu颗粒被搅拌,流动路径长,不易形成金属间化合物。Al/Cu形成了有效的冶金结合,其交界面处金属间化合物厚度小于1 μm。预置Cu的Al/Cu T-接头沿壁板方向像同种材料对接接头,呈韧性断裂;预置Al的Al/Cu T-接头改变交界线缺陷走向,筋板方向获得一定高度的Al/Cu混合区,机械互锁结合效果达到最优,断裂多在交界面处,抗拉伸强度达157 MPa,呈混合断裂。预置焊丝是一种适用于Al/Cu异种FSW T-搭接接头焊接的良好方法。     

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。     

7075铝合金搅拌摩擦焊接头变形及失效行为

使用搅拌摩擦焊（FSW）设备对厚度为6mm的7075高强度铝合金平板进行对接试验。设计出双径试样,采用液压伺服试验机对7075铝合金搅拌摩擦焊接头进行拉伸试验,并借助奥林巴斯显微镜和扫描电镜观察接头的变形及失效过程。结果表明,7075铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸过程中出现双颈缩现象,颈缩首先在后退侧出现,随着加载的进行,前进侧也出现颈缩现象。微裂纹在接头中的前进侧和后退侧颈缩区内晶界处由微孔洞聚集产生。随着应变的增加,微孔洞数量明显增加,当应变足够大时,微孔洞连接形成微裂纹。微裂纹沿着与加载方向成45°向焊核区进行扩展,导致接头断裂,断裂位置位于接头中的焊核区,断裂方式为剪切断裂混合着微孔聚集型断裂。     

7050-T7451铝合金搅拌摩擦焊焊缝缺陷分析

采用搅拌摩擦焊方法对5 mm厚7050铝合金进行了焊接,利用光学金相对接头缺陷及其形成原因进行了分析.结果显示,在参数不当的情况下出现的缺陷有飞边、孔洞、沟槽以及未焊合四种:飞边由表层金属过度软化导致;孔洞的产生则是焊速/转速比过大,焊缝中、下部材料塑性流动不充分引起;而沟槽是由于焊具下压量不足时,表面材料流动不充分产生;未焊合发生在焊缝底部,其产生原因是焊接热输入不足,焊缝底部再结晶程度低使得原始对接面材料间没有融合而存留.其中未焊合为主要的焊接缺陷,会严重降低接头力学性能,改变接头拉伸时的断裂位置和断裂模式.     

水下搅拌摩擦焊接:一种具有改善接头性能巨大潜力的搅拌摩擦焊接新方法（英文）

搅拌摩擦焊接(FSW)是一种固态焊接方法,它能够焊接普通熔焊过程难以焊接的材料;且与熔焊相比,具有高效节能和环境友好的特点。尽管FSW与熔焊相比有更多的优点,但是FSW过程中的热循环会溶解或者粗化热处理铝合金中的沉淀强化相,使接头软化,从而导致其力学性能下降。水下搅拌摩擦焊接(UFSW)是一种可以克服这些缺陷的方法。这种方法适合于在焊接过程中对热敏感的合金,且已广泛用于热处理铝合金。本文对UFSW的研究现状和发展提供了全面的文献综述。与FSW进行对比,从不同角度讨论和总结UFSW的重要性;并对材料流动、温度变化、工艺参数、显微组织和力学性能等基本原理进行详细阐述。结果表明,与FSW相比,UFSW是一种可以改善接头强度的新方法。     

7xxx高强铝合金搅拌摩擦焊研究进展

针对7xxx高强铝合金的搅拌摩擦焊研究现状，主要从焊接缺陷、搅拌针形状的选择、接头软化、疲劳性能及耐蚀性等方面详述了7xxx高强铝合金焊接过程中存在的问题。对于7xxx高强铝合金的搅拌摩擦焊（FSW），焊接缺陷及焊缝成形质量差都会导致接头软化、疲劳寿命降低及耐蚀性变差等问题；优化FSW焊接工艺参数，减少焊接缺陷，改善焊缝成形质量，有利于降低接头软化程度、提高接头的疲劳寿命及耐蚀性；选择合适形状的搅拌针对7xxx高强铝合金进行FSW，有利于改善接头的力学性能；对FSW接头进行表面机械滚压处理和超声冲击处理，改善接头表面的应力状态，有利于改善接头的疲劳性能；对FSW接头进行适当的焊后热处理，改善接头中强化相的形态、分布状态及晶粒特征，有利于改善接头的耐蚀性。     

6061-T6铝合金与高分子材料PC的搅拌摩擦焊补焊修复工艺

搅拌摩擦焊(FSW)是一种潜在的连接异种材料的固态焊接方法,但由于2种材料的理化性质差异较大,导致焊接接头成形较差,力学性能较低,这就要求必须对FSW技术进行改进。文中以6061-T6铝合金与高分子材料聚碳酸酯(PC)为研究对象进行FSW补焊修复试验,通过拉伸试验和微观结构分析,将传统FSW与补焊后FSW进行对比。结果表明：基于相同工艺参数补焊技术优化了焊缝表面形貌;?10 mm轴肩搅拌头补焊接头平均抗拉强度降低1.31%,?16 mm轴肩搅拌头补焊接头平均抗拉强度提高13.51%。微观结构分析表明：在传统FSW下接头内部存在较长的孔洞缺陷,随着补焊时轴肩直径增大,缺陷逐渐消失。     

6005A-T5与7N01-T4异种铝合金搅拌摩擦焊接接头组织与力学性能

采用搅拌摩擦焊(FSW)焊接6005A-T5与7N01-T4铝合金板材,对焊接接头的组织和力学性能进行了研究,探讨板材设置和焊接速度对异种接头材料流动性、组织和力学性能的影响。结果表明:当6005A-T5铝合金位于前进侧(AS)时,材料的混合更加充分,这与6005A-T5铝合金较好的流动性有关。此外,降低焊接速度可以促进材料的混合。焊核区晶粒尺寸随焊接速度的增加而减小。焊接接头的最小硬度均位于6005A-T5铝合金侧热影响区(HAZ),此处为所有接头的拉伸失效位置。随着焊接速度的增加,接头抗拉强度增大,但板材设置对抗拉强度的影响可以忽略不计。     

搅拌针端部形状对FSW接头根部金属流动行为的影响

采用不同端部形状的搅拌针对12 mm厚的6061-T4铝合金进行对接焊,观察了匙孔处不同横截面上焊缝形貌,分析了搅拌针端部形状变化对FSW接头根部金属流动行为的影响.结果表明,FSW焊缝区金属沿焊缝厚度方向上的迁移主要受搅拌针表面螺纹影响,而搅拌针端部锥度对接头根部金属的迁移的影响可分为两个方面,一是脱离螺纹作用的金属向下迁移,二是焊核区金属的向上迁移.搅拌针端面直径影响FSW接头未焊透厚度.随搅拌针端面直径增加,搅拌针可焊板材厚度增大.