基于仿真的搅拌摩擦焊连接AA2024-T3不同板厚过程对比

采用完全热力耦合模型以及修正的库仑模型,分别模拟AA2024-T3铝合金中厚板和薄板的搅拌摩擦焊接过程,通过对比发现搅拌摩擦焊接中材料流动速度的最大值发生在上表面搅拌针前方靠近后退侧,焊接构件上表面材料流动速度明显高于下表面,这说明搅拌头轴肩的旋转对材料流动具有明显影响。相同的焊接参数下,焊接中厚板需要更高的外输入功率以完成搅拌摩擦焊接过程,摩擦能耗在搅拌摩擦焊接中占据主要成分,是温度场形成的主要热源。在焊接薄板时,摩擦能耗占据更高的比例,说明此时的热转换率更高。塑性变形和温度是决定焊接微观结构的主要指标,中厚板搅拌摩擦焊接产生的改善晶粒大小的效果和有效利用外输入能量方面较薄板稍差。因此,无论从能量利用的角度还是对微观结构的推断均发现薄板的搅拌摩擦焊接过程具有更高的效率。     

预热时间对搅拌摩擦焊接的影响

基于固体力学的有限元方法建立搅拌摩擦焊接过程的热力耦合分析模型,并以此为基础,研究预热时间对搅拌摩擦焊接过程的影响,与试验测量的温度和试验观测到的材料流动现象的对比证明了该模型的有效性和正确性.数值模拟结果显示预热时间需要控制在1.000～3.281 s之间,在采用压紧力控制搅拌头轴向自由度的情况下,预热时间过短会导致孔洞缺陷的形成,而预热时间过长会导致飞边现象变得非常严重.搅拌摩擦焊接所需的有效功率不会随预热时间的变化发生明显改变.随着预热时间的延长,搅拌摩擦焊接中的最高温度略有增加,同时,焊接材料温度的升高使材料的流动应力下降,导致随搅拌头一起流动的物质点略有增加,说明搅拌头的搅拌效应随着预热时间的延长而变得明显.     

基于材料流动轨迹的搅拌摩擦焊接晶粒及焊接区大小预测模型

通过热力耦合模型模拟搅拌摩擦焊接过程中的材料行为,并基于材料的运动轨迹区分焊接区域中的搅拌区和热力影响区。给出热力影响区和搅拌区边界处流动轨迹上的真实应变率和温度历史曲线,进一步计算Zener-Holloman参数和搅拌区内的晶粒大小,通过与已有文献的对比验证计算结果的准确性。结果显示尽管应变率分布不均匀,均匀分布的温度使lg Z在搅拌区内均匀分布,这说明温度对搅拌区内晶粒大小变化的影响较应变率更为明显。绕针运动的物质点的应变率明显高于其他运动轨迹上的物质点的应变率,可以达到22 s–1。通过对不同材料流动行为的跟踪可以确定搅拌区和热力影响区的边界。搅拌区晶粒随搅拌头轴肩的增大而增大,且搅拌区尺寸随搅拌头轴肩的增大而增大。较小的搅拌头会使搅拌区的区域变小。     

摩擦焊接过程的热力耦合有限元分析

采用热力耦合有限元分析方法,综合考虑摩擦焊接过程中不同的产热机制、随温度变化的材料性能、飞边形成及摩擦系数随速度、温度、压力的变化规律,直接由焊件材料的性能参数及设定的焊接规范参数(轴向压力与转速随时间的变化曲线)对焊接全过程的焊接参数(摩擦转矩、轴向缩短量及平均温度)、物理参量场(温度场、应力场、变形场)及焊合区金属晶粒尺寸的变化规律进行了数值模拟,得到了焊接过程中摩擦表面上切应力、加热功率、温度及轴向压应力的分布及变化规律,实现了对焊合区金属晶粒尺寸的数值模拟。     

铝合金搅拌摩擦焊接工艺参数对焊接温度的影响

搅拌摩擦焊是一种新型的、绿色环保、高效的固相焊接技术,其过程涉及由轴肩和搅拌针构成的无损耗搅拌工具。焊接过程中,高速旋转的搅拌工具插入到工件表面直至轴肩与工件接触,并沿焊缝向前行进,利用搅拌工具与工件产生的摩擦热使待焊材料塑化,并在搅拌工具的带动下产生流动与混合从而实现焊接。详细分析了搅拌摩擦焊接的微观组织结构,搅拌工具以及主要工艺参数对焊接的影响并通过试验研究了主轴转速、焊接速度以及轴肩下压量对焊接温度的影响。试验研究表明,主轴转速和焊接速度对焊接温度的影响较大,下压量对焊接温度的影响不大。     

关于铝合金薄板高速搅拌摩擦焊接搅拌头的新型设计

搅拌摩擦焊是新能源汽车电芯制造中代替传统激光焊接的关键方法。高速搅拌摩擦焊是提升电芯生产效率的关键工艺,科学的搅拌头尺寸参数设计方法可以有效减少高焊速条件下飞边沟槽缺陷,并提升电芯生产的合格率。基于对高焊速搅拌摩擦焊搅拌头的设计的理解,设计包括轴肩半径、轴肩摩擦系数、轴肩内凹角、轴针上半径、轴针下半径和轴针长度在内的高焊速搅拌头尺寸参数研究系统。针对铝合金薄板工业生产中质量需求,设计焊后焊缝质量评价指标。在考虑焊缝飞边大小、沟槽深浅以及左右材料交互比例的基础上,分析不同搅拌头参数影响下的焊接质量变化,获得搅拌头尺寸参数变化对焊接质量的影响规律,获得高焊速条件下的铝合金薄板搅拌摩擦焊搅拌头的最优设计。     

搅拌摩擦焊接技术研究进展

介绍了搅拌摩擦焊接技术的焊接工艺、焊接机理、焊接数值模拟及难点,提出应从复合搅拌摩擦焊接技术工艺和搅拌头的再设计等途径解决搅拌摩擦焊接高熔点合金与黑色金属的技术问题。     

2014铝合金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搅拌头探针,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。提出了一种联合粘度场、速度场对焊接区域进行划分的方法:搅拌头周围的η0(材料粘度值)内易流动区域对应于焊核,η0外围与η1粘度带之间的区域对应于TMAZ区。三维模拟中材料的垂直方向流动与“标记嵌入技术”流变可视化试验结果吻合较好:靠近探针的区域内,回撤边中下部的材料向上运动,前进边中下部材料向下运动。焊接速度过高,搅拌头轴肩与探针过渡处的易流动区容易发生材料的分离运动,实际焊接中在此处容易产生空洞缺陷。     

搅拌摩擦焊接过程数值仿真的完全热力耦合模型

提出了搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,以模拟AL6061-T6铝合金焊接构件在焊接过程中的温度场和材料变形情况,试验结果证明了该模型的有效性。计算结果显示,在焊接过程中,材料的最高温度低于熔点。在工件底面搅拌头后方存在一个低塑性应变区域,这是由搅拌摩擦焊接材料的特有流动形式所决定的。在工件上表面塑性应变的分布与试验中观测到焊接构件表面的环状纹理相似。     

不同焊接速度下2024铝合金搅拌摩擦焊接头的显微硬度与拉伸性能

对5mm厚2024铝合金板进行了不同焊接速度(20～100mm·min-1)下的搅拌摩擦焊,研究了焊接接头的显微硬度与拉伸性能。结果表明:接头在垂直于焊缝方向上的显微硬度整体呈W形分布,焊核区显微硬度高于热影响区与热机影响区的,但仍低于母材的,热影响区和热机影响区过渡位置的显微硬度最低;随焊接速度的增大,焊核区的平均显微硬度升高,焊接接头的抗拉强度和伸长率均呈先增大后略微降低的趋势;当焊接速度为80mm·min-1时,抗拉强度和伸长率均达到最大值,分别为347.2MPa和7.8%;接头在热机影响区与热影响区边界发生剪切断裂,断裂位置与显微硬度最低位置相吻合,接头的断裂方式为韧性断裂。     

铝合金搅拌摩擦焊技术研究

论述了搅拌摩擦焊的焊接方法、工艺过程和基本原理；通过大量的工艺参数优化，解决了焊缝中的孔洞问题，使ＬＦ６板材搅拌摩擦焊的焊缝达到与母材等强，ＬＹ１２焊后未经热处理，连接强度接近母材的８０（。由金相分析可以看出，搅拌摩擦焊属于固相连接，焊缝晶粒细小，无气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷。初步应力测试发现，搅拌摩擦焊焊缝比熔焊焊缝的残余应力低。试验研究结果表明，搅拌摩擦焊焊接过程稳定可靠，焊接接头性能良好，具有广泛的应用前景。     

AZ31镁合金搅拌摩擦焊研究

成功实现了2.5 mm厚薄板镁合金AZ31的搅拌摩擦焊接。试验结果表明,接头外观优美,表面光滑,没有裂纹,背部搅拌熔合充分。微观组织、拉伸、弯曲和显微硬度试验显示镁合金的搅拌摩擦焊可以得到良好力学性能的接头(接头抗拉强度达母材强度的90％左右);显微组织特征显示接头有明显分区,焊缝中心生成等轴、微细的晶粒。     

2524-T3铆接接头与搅拌摩擦焊接接头疲劳性能对比研究

通过2524-T3铝合金的搅拌摩擦焊接头疲劳性能对比试验,得到了母材、FSW对接接头、铆钉连接接头的疲劳S-N曲线。试验表明,搅拌摩擦焊的疲劳裂纹大多数起源于焊缝底部;2524-T3材料薄板的疲劳性能略好于厚板的疲劳性能;搅拌摩擦焊接头疲劳性能要明显好于铆接接头疲劳性能。拟合得到了各种不同厚度,不同应力比下的S-N曲线公式,为搅拌摩擦焊技术应用于飞机结构积累了相关数据。     

搅拌摩擦焊接中搅拌头的受力分析

采用基于固体力学的有限元方法研究搅拌摩擦焊接过程中,不同过程参数情况下搅拌头的受力情况.研究发现,搅拌摩擦焊接过程中搅拌头上应力的最大值发生在搅拌头前进方向上搅拌头与焊缝中心线接触点的附近,且von Mises应力的最大值随搅拌头平移速度的增加而增加,随搅拌头转速的增加而较小.搅拌头前方的接触压力较大,后方接触压力较小,后退侧的接触压力较前进侧大.搅拌头的不停旋转决定了搅拌头受到交变载荷作用,导致疲劳成为搅拌头破坏的原因之一.焊缝中心线附近的等效塑性应变和结构纹理呈现洋葱状结构.     

搅拌摩擦焊焊接温度数值模型及其影响因素

通过对搅拌摩擦焊过程进入稳定状态后摩擦产热与散热机制的分析,建立了搅拌摩擦焊焊接温度的数值模型。由数值模型可知,影响焊接温度的各种因素包括被焊材料和搅拌工具材料的物理性质、两者之间的摩擦因数、搅拌工具的尺寸、焊接参数、被焊材料表面受到的轴向压力和侧面受到的进给压力等,有些因素之间还互相影响,关系复杂。其中,搅拌工具的旋转速度、搅拌工具与被焊材料之间的摩擦因数、被焊材料表面受到的轴向压力及侧面受到的进给压力是主要因素。以聚氯乙稀板材搅拌摩擦焊为例,验证了在适当的取值范围内焊接温度数学模型的理论计算值与实测值基本吻合。     

用于铝合金焊接的中频MIG焊逆变器与工艺研究

阐述了用于铝合金焊接的中频脉冲ＭＩＧ焊逆变器的基本原理、特点和工艺效果。借助３１５Ａ场效应管式和６３０ＡＩＧＢＴ式弧焊逆变器，通过中低频调制把输出为８０ｋＨｚ和４０ｋＨｚ的脉冲频率，变成１ｋＨｚ以下的中频脉冲，对航天用铝合金板材进行ＭＩＧ焊工艺的试验研究。结果表明，该技术具有逆变式电源的高效省料轻巧等优点之外，它比现有的低频脉冲和直流ＭＩＧ焊技术具有更能保证熔透，“清洗”作用强，焊缝组织晶粒细化，微气孔倾向减少和接头强度高等突出优点，因此，具有很好的推广前景。     

不同过程参数对搅拌摩擦焊接中材料流动以及残余应力分布的影响

通过有限元法建立了搅拌摩擦焊接的二维模型,并研究了不同工艺参数下搅拌摩擦焊接过程中材料的流动以及残余应力的分布。在搅拌摩擦焊接过程中,切向流动构成了材料流动的主要形式,并且材料流动最为剧烈的区域发生在后退侧。在材料的切向流动中,材料的流动方向不是单一的,可能会形成漩涡。搅拌头平移速度和转速的增加,都能使材料在后退侧的流动变得更为剧烈,但是在材料流动速度较小的区域,参数的改变对材料流动的影响很小。纵向残余应力的最大值始终发生在热影响区的边界,并且纵向残余应力在靠近焊缝中心线的附近一般为正值,而在靠近焊接构件边界的地方,残余应力则表现为负值。纵向残余应力的最大值随着搅拌头平移速度的增加而有所增加,但是搅拌头转速的变化对纵向残余应力的分布影响不大。     

搅拌摩擦焊径向阻力的动态测量与分析

利用压力传感器对聚氯乙稀塑料搅拌摩擦焊时搅拌头受到的径向阻力进行动态测量,对引起搅拌头径向阻力变化的原因及相关因素的影响规律进行分析.结果表明,搅拌摩擦焊过程开始后,径向阻力要经过一个先急剧上升,达到峰值后又迅速下降,到某一定值后稳定下来的过程.在其他条件不变的前提下,仅提高搅拌头的旋转速度使径向峰值阻力和稳态阻力都下降,达到峰值和稳态阻力的时间都缩短;仅提高焊接速度使峰值阻力大幅度上升,而稳态阻力却有升有降,但幅度不大,达到峰值阻力的时间变化不大,而达到稳态阻力的时间延长;搅拌头直径的变化会同时引起摩擦发热功率和散热功率的变化,它对径向阻力的影响比较复杂.     

铝合金电阻点焊中电极点蚀对焊接质量的影响

采用有限元和物理模拟方法,考察了铝合金AA5182电阻点焊过程中电极点蚀对焊接质量的影响。结果表明:当电极尖端点蚀面积增加时,电极与试件界面上的实际接触面积基本不变,而试件与试件界面上的接触面积显著增加,电流密度大大减小,形成熔核的厚度和直径都减小。物理模拟试验所得熔核的形状和尺寸与有限元法预测结果符合很好。物理模拟和数值模拟都表明,点蚀孔直径为5.0mm时,只能形成厚度十分有限的环状熔核。研究揭示:电极尖端点蚀导致被连接试件之间的接触面积增大是其影响焊接质量的主要原因之一。