7075-T651铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力研究

采用对接形式对7075-T651铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,并采用盲孔法对其接头的残余应力分布规律进行了研究。结果表明,应力曲线为"M"型,焊核区最小,在邻近轴肩处最大。在焊接速度200 mm/min下,焊核的纵向残余应力为压应力。根据不同焊接速度下残余应力分布,发现随着焊接速度的提高,纵向残余应力增大,最大值从136MPa(200 mm/min)增大到275 MPa(300 mm/min)。另外,后退侧的残余应力比前进侧的大,随着焊接速度的减小,残余应力在前进侧与后退侧的差值减小。接头不同位置的微观组织分析表明,前进侧和后退侧不同的微观形貌也反应了残余应力的不对称性分布。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。     

MIG焊叠加对铝合金FSW焊残余应力的影响研究

文中针对4 mm厚6A01-T5铝合金FSW焊缝叠加MIG焊,研究了MIG焊叠加对FSW焊残余应力分布的影响。研究结果表明:FSW焊残余应力在焊缝两侧分布不对称,前进侧残余应力较大,峰值残余应力位于前进侧热机影响区附近; MIG焊叠加FSW焊后残余应力同样分布不对称,峰值残余应力位于叠加MIG焊缝中心附近;与FSW焊相比,叠加MIG焊后正面残余应力均有一定程度降低且FSW后退侧叠加时横向残余应力下降最明显,叠加MIG焊后背面纵向残余应力下降不明显,横向残余应力均呈增大趋势,且FSW后退侧热机影响区叠加时的横向残余应力增加最显著。     

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布

采用小孔法对3 mm厚2024-T4铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行研究.为了衡量钻孔引入应变对结果的影响,测量了退火2024铝合金板钻孔产生的应变,将其作为附加应变对焊接试件上测得的应变结果进行修正.结果表明,在试验条件下得到的焊接接头的残余应力以纵向应力为主,横向应力相对很小;纵向高应力区集中在轴肩作用区域,呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧,在轴肩作用区域之外应力值迅速降低,在距焊缝中心较远的区域转变为压应力;纵向残余应力峰值为164.5 MPa.分析认为,机械搅拌和焊接温度场的叠加作用造成焊缝两侧纵向残余应力的不对称分布.     

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。     

6005A FSW接头金属运动行为研究

采用搅拌摩擦焊对6005A进行焊接,并对垂直、平行焊接方向接头不同区域的组织进行研究。结果表明:搅拌摩擦焊接头前进侧金属运动迹象大于后退侧,前进侧"匙孔"边缘底部基本保留了搅拌针形貌;在垂直焊缝方向,前进侧晶粒呈明暗带状分布的"洋葱环"结构,距离焊缝中心越远越明显,后退侧组织致密且过渡平缓;在平行焊缝方向,前进侧边缘塑性金属运动痕迹强烈,为连续锯齿状形貌,该形貌向焊缝中心逐渐减弱并消失于后退侧。     

搅拌针几何形状对搅拌摩擦焊温度场的影响

利用完全热力耦合模型建立铝合金搅拌摩擦焊有限元模型,分析了在相同工艺条件下,锥形搅拌针和柱形搅拌针对焊接温度场的影响。结果表明,同一工况下,轴肩产热量高于搅拌针的产热量,且随着厚度的增加,温度的峰值曲线逐渐降低;温度场曲线关于焊缝中心线呈现为类Ω形,前进侧温度高于后退侧温度,其中上表面温度曲线在轴肩内为平台状,焊件内部及下表面为山峰状;相同条件下,锥形针产热量高于柱形针,随距焊缝中心线距离的增加,温度的差值也增大。     

冷喷涂对2219铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能的影响

为了改善铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力与力学性能,在4 mm厚2219铝合金搅拌摩擦焊接头上表面进行冷喷涂试验,研究分析了冷喷涂前后接头残余应力与力学性能的变化. 结果表明,焊态接头纵向残余应力呈不对称“M”形分布,残余应力峰值位于前进侧靠轴肩附近;冷喷涂后,接头残余应力大幅度降低,残余应力峰值由186 MPa降低至43 MPa.涂层沉积厚度约200 μm,涂层与基体界面产生了较大的塑性变形,基体界面附近组织晶粒得以细化.由于冷喷涂过程的喷丸效应,接头上表面显微硬度平均提高了25 HV,作用深度约1 mm.接头拉伸性能也获得明显改善,抗拉强度提升6.3%,断后伸长率提升78.6%,焊态与冷喷涂态的拉伸试样均在接头前进侧的热影响区附近发生断裂,符合在低硬度区或弱结合面产生裂纹并扩展的弱区断裂的特征.     

钛合金厚板窄间隙焊接残余应力模拟研究

采用有限元软件对钛合金厚板窄间隙焊接接头的温度场和应力场进行了数值模拟,分析了多层多道焊下钛合金厚板残余应力分布规律。结果表明,焊接残余应力随距焊缝中心距离的增加而降低。高应力区位置出现在距焊缝上表面约5 mm深度位置,最大横向残余应力为383 MPa,最大纵向残余应力为628 MPa,均位于焊缝中心。需要采取优化焊接工艺或者消应力处理等方法,以避免因应力过大导致的结构失效问题。     

有限元分析热—力学参量对焊接残余应力峰值特征的影响

使用随温度变化的材料热—力学参量,采用双椭球热源模型,研究了弹性模量、线膨胀系数、泊松比三个热—力学参量对焊接残余应力的影响.结果表明,弹性模量增加可使焊接残余应力增大,纵向残余应力峰值从双峰特征过渡到单峰特征;线膨胀系数降低可使焊接残余应力峰值降低,纵向残余应力峰值的双峰与波谷差值也逐渐减小;随着泊松比的增加,纵向残余应力峰值逐渐下降.因此,热—力学参量是导致铝合金纵向焊接残余应力峰值比屈服极限低以及焊缝附近呈现双峰分布特征的重要原因.使用切条释放法对材料参量为铝合金2024-T4的平板中纵向焊接残余应力模拟结果进行试验验证,模拟结果与试验结果吻合良好.     

中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊焊接残余应力及微观组织演变

为了研究双轴肩搅拌摩擦焊缝内部焊接残余应力的大小及分布情况，本研究采用短波X射线衍射进行焊接件内部残余应力的无损检测分析；采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射（Electron Back-scattering Patterns,EBSD）对焊缝的前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机械影响区和焊核区的组织结构演变进行了分析。金相观察结果显示双轴肩搅拌摩擦焊的接头组织在厚度方向上近似于对称分布，呈“腰鼓形”，焊核区与热机影响区的界面为近似双曲线，前进侧热机影响区的分界线更明显。EBSD扫描结果显示热影响区、热机械影响区均存在较强的形变组织；焊核区在剪切变形和焊接循环热的双重影响下发生了动态再结晶，主要为弱取向组织，小角度晶界含量较大。短波X射线衍射结果表明，双轴肩FSW焊接板内部板厚中心层，纵向方向残余应力均大于横向方向；沿着焊缝，拉应力较大区间位于距焊缝起始端150～250 mm的范围内，最大拉应力为244 MPa。     

2219铝合金FSW接头残余应力分布特点

采用压痕应变法测量2219-T87高强铝合金FSW试板与筒体结构上典型位置的残余应力. 结果表明,在试板上接头残余应力呈不对称分布,焊缝上的纵向残余应力数值高于横向残余应力,纵向应力的最大拉应力出现在焊缝中心位置,最大压应力出现在后退侧轴肩外侧,横向残余应力的最大压应力出现在前进侧轴肩边缘;筒体结构的环缝上,纵向残余应力呈较大拉应力,横向残余应力的数值较小,纵缝接头处残余应力关于焊缝中心呈对称分布,纵向残余应力在焊缝上呈拉应力,横向残余应力在焊缝上呈压应力;压力试验使结构件上部分应力释放,应力数值略有下降.     

Inconel 718镍基合金管道焊接残余应力的数值模拟

以Inconel 718镍基合金管道的对接接头为研究对象,建立了热-力学耦合的三维有限元模型,采用SYSWELD焊接模拟软件对其环焊缝在不同预热温度和焊接顺序下的残余应力进行数值模拟,分析了预热温度和焊接顺序对外表面轴向和环向残余应力分布的影响。并与实验结果进行对比,验证了模型的准确性。结果表明:管道外表面轴向残余应力在焊缝及近缝区表现为压应力,而远离焊缝中心的区域表现为拉应力;焊缝与近缝区环向残余应力为拉应力,随着距焊缝中心距离的增加,拉应力逐渐转化为压应力;随着预热温度的增加,管道外表面轴向和环向残余应力降低;焊接顺序的改变不能有效降低管道焊接残余应力。     

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。     

激光喷丸参数对7075铝合金残余应力分布影响规律的数值分析

为了研究不同激光喷丸参数对残余应力分布的影响规律,较快获取期望的残余应力分布,通过利用有限元软件ABAQUS对激光喷丸过程进行数值模拟,完成了7075航空铝合金靶材在不同冲击波峰值压力、冲击次数、光斑大小及搭接率等工艺参数下的数值模拟。模拟结果表明:随着峰值压力的增加,材料表面残余压应力也增加,当峰值压力增大到一定值时,材料表面残余压应力达到最大;当峰值压力一定时,材料表面及内部残余压应力随光斑大小及冲击次数的增加而增加;随着光斑搭接率的增加,材料表面残余压应力增大,且随着搭接率的增加,表面残余压应力的波动逐渐减小。     

镁合金圆筒舱体DE-GMAW焊接数值模拟

为了研究AZ31B镁合金焊接接头残余应力分布规律,采用MSC.mar软件对直径200 mm,厚度6 mm的镁合金圆筒舱体环焊缝进行双电极气体保护焊（DE-GMAW）焊接温度场、应力场及残余应力的数值模拟.结果表明,焊缝及热影响区残余应力较大,远离焊缝中心处的残余应力随着距离增加而逐渐减小,除焊缝内外表面外,大部分区域的纵向残余应力大于横向残余应力,这为研究控制镁合金焊接残余应力提供了重要的理论支撑.     

箱型搅拌摩擦焊结构残余应力超声波法测量

基于声弹性效应,超声波可以无损检测出结构内部应力。针对箱型搅拌摩擦焊接结构,使用超声波法对其残余应力分布进行了无损快速测量。结果表明纵向残余应力分布在焊缝附近表现为较高的拉应力,在轴肩作用区域一定距离之外迅速下降并转变为压应力,横向残余应力很小,纵向残余应力峰值出现在前进侧一侧,搅拌摩擦焊接头焊缝两侧的纵向残余应力分布明显地表现出不对称性。分析认为搅拌焊接残余应力的分布特点由其复杂的材料流动和焊接温度场共同作用造成。     

连接温度对C/C复合材料及Cu连接接头残余应力的影响

采用热弹塑性有限元数值模拟方法,研究了连接温度对C/C复合材料与Cu平面对接接头残余应力的影响。结果表明:最大拉应力的分布具有方向性,在连接界面法线方向上,最大拉应力出现在靠近接头界面的C/C复合材料侧,位于连接件的棱边上;在平行连接界面方向上,最大拉应力出现在靠近接头界面的Cu侧表面。最大剪切应力位于接头界面处。随着连接温度的升高,接头残余应力峰值逐渐增大,但接头残余应力的分布形态相似。对于连接界面尺寸为4 mm×4 mm的接头,在连接温度为1 000℃时,离接头界面1.2 mm的C/C复合材料侧最容易发生断裂。     

16MnR斜Y型坡口焊接裂纹试验残余应力数值模拟

利用ANSYS有限元分析软件对16MnR钢斜Y形坡口焊接裂纹试验的焊接温度场和应力场进行数值模拟,得到了焊接残余应力的分布规律.由于焊缝表面、中部和根部散热条件不同,造成了焊缝表面、中部和根部残余应力分布的差异.即在三维残余应力场中,纵向残余应力较大,且横向残余应力峰值出现在“直坡口侧”焊缝根部的热影响区.研究了预热温度对横向残余应力的影响规律.结果表明,随着预热温度的提高横向残余应力峰值和应力梯度降低,从而有助于减小冷裂纹倾向.     

激光冲击690高强钢表面残余应力工艺优化模拟

为研究激光冲击对690高强钢表面残余应力尤其是"残余应力洞"的影响,在ANSYS/LSDYNA平台对690高强钢薄板经激光冲击后的残余应力进行模拟,优化光斑搭接率及激光功率密度。结果表明:采用搭接处理工艺,功率密度为1.98 GW/cm~2,在搭接率为33%、50%、66%时,激光冲击690高强钢表面最大残余压应力和光斑中心最小残余应力差值分别为275.6、241.6、238.3 MPa;搭接率的增加抑制了"残余应力洞";功率密度为2.77 GW/cm~2时,激光冲击表面残余应力优化结果最佳,达到211.0 MPa。