6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的疲劳性能的有限元分析

利用有限元分析软件ANSYS模拟了6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头在不同载荷作用下的应力场,进而分别运用名义应力法和局部应力-应变法计算得到当前载荷水平下的疲劳寿命。结果表明:在较大的载荷水平下,应力法分析结果与试样实际寿命接近,在较小的载荷水平下,局部应力-应变法分析结果与试样实际寿命接近;试样疲劳寿命随焊点间距的增加而减小。通过分析6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头疲劳断口形貌,发现疲劳裂纹起裂于焊点根部的热影响区和热力影响区,同时沿上板焊点边缘和下板母材处横向扩展。     

不同基体组织对搅拌摩擦焊接接头性能的影响

对板厚为5mm的2024,6082,7050-T7451三种铝合金进行搅拌摩擦焊接实验.结果表明:搅拌摩擦焊接铝合金2024时,接头部位很容易出现孔洞缺陷,但一定尺寸范围内的缺陷并未严重削弱接头的抗拉强度.铝合金6082可在很大的范围内选择工艺参数,接头成型性明显好于铝合金2024和7050-T7451,工艺参数的改变对接头的抗拉强度无大的改变.铝合金7050-T7451在设计的焊接参数范围内没有发现孔洞缺陷,但接头的抗拉强度系数比铝合金2024和6082接头都低.因为搅拌摩擦焊接接头的性能除与焊接工艺参数有关外,基体材料的屈服强度、延展性、基体硬度等也是不可忽视的影响因素.     

铝合金回填式搅拌摩擦点焊研究现状

回填式搅拌摩擦点焊作为一种新型的固相连接技术,在船舶、汽车、列车、航空航天制造等领域,有望成为替代电阻点焊、铆接等传统连接方式的新技术,受到国内外学者的关注研究。在大量文献分析的基础上,对铝合金回填式搅拌摩擦点焊的搅拌工具、接头组织和力学性能、异种材料焊接等方面的研究进行了总结。研究表明,接头的剪切性能和断裂模式主要与接头的焊核深度和钩状缺陷,连接带的尺寸分布有关;对于异种材料焊接接头,金属间化合物层的成分及其厚度是影响其力学性能的重要因素。     

铝合金与镀锌钢板回填式搅拌摩擦点焊机制

目的 研究铝合金与镀锌钢板回填式搅拌摩擦点焊界面组织演变机制与焊接工艺参数对力学性能的影响规律。方法 采用连续焊接和改变焊接工艺参数的方法,分析了焊具自摩擦对焊接温度和接头力学性能的影响。采用电镜研究了铝合金与镀锌钢板连接界面的显微组织分布和焊接工艺参数对焊接温度及接头力学性能之间的内在关系。结果 焊具的自摩擦及重复性预热影响焊具温度和接头力学性能,其作用远大于焊接工艺参数的影响。镀锌层阻止了被焊材料的直接接触而避免了大量金属间化合物的形成,镀锌层和铝合金反应生成固溶体组织,从而提高了铝合金与钢的焊接性。此外,液态的锌被挤出搅拌区,形成钎焊的连接机制,增大了接头连接面积和强度。最佳焊接工艺参数为：旋转频率1800 r/min,套筒下压量1.0 mm,停留时间3 s。在此焊接规范下,接头最大接头剪切强度为6.23 kN,且76.2%的焊点力学性能满足工业使用标准。结论 回填式搅拌摩擦点焊是实现铝合金与镀锌钢板高质量连接的可靠方式。     

6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接接头的微区腐蚀行为

国内外有关铝合金的搅拌摩擦焊接(FSW)接头腐蚀性能的研究主要涉及接头的宏观腐蚀行为,对焊缝微区腐蚀行为的报道很少。通过电化学测试、静态失重试验、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等试验手段研究6082-T6铝合金搅拌摩擦焊接头不同区域的耐腐蚀性能,发现搅拌摩擦焊接试样在焊缝中间区域的耐腐蚀性能最好,其次依次是搅拌针后方和搅拌针前方,母材的耐腐蚀性能最差。6082-T6铝合金母材、搅拌针前方和搅拌针后方发生腐蚀的类型主要为晶间腐蚀和剥落腐蚀,随着时间增加,晶间腐蚀和剥落腐蚀程度加剧,焊缝中间区域基本不发生腐蚀。母材和搅拌针前方晶内沉淀相为针状沉淀相,在晶界附近存在沉淀无析出相;晶界析出相富含Mg和Si元素,晶界析出相和沉淀无析出带之间以及晶内基体与沉淀无析出带之间存在腐蚀原电池,导致腐蚀较严重;搅拌针后方和焊核区由于受到轴肩和搅拌针作用,焊后位错减少,组织细化,降低形成局部腐蚀原电池倾向,导致耐腐蚀性能较好。通过对腐蚀后FSW接头铝合金的微观组织形貌观察,结合试验所得到的微观组织,确定了影响接头腐蚀行为的原因和相应的腐蚀机理,为拓展6082-T6铝合金的运用范围提供理论依据。     

2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 分析焊接接头温度场、应力场的分布情况,并着重讨论焊接转速对接头孔洞分布规律的影 响。方法 基于 ABAQUS 有限元分析软件,对 2524-T3 铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程进行了模拟,分 析了焊接过程中材料内部温度场、应力场及焊点底部孔洞的变化情况,并在此基础上采用小孔法对焊点 周围残余应力进行了测量,与模拟结果进行了对比分析。结果 焊接转速由 2200 r/min 提高至 3000 r/min, 焊接过程达稳定摩擦时焊接温度由 489 ℃增至 518 ℃。焊接结束时焊件表面残余应力数值均在 100~200 MPa,与实际小孔法测得数值吻合良好。结论 焊接转速的提高导致焊接过程中各阶段峰值温度提高, 在焊件横截面还可观察到沿厚度方向存在较大的温度梯度。接头孔洞数量随焊接转速先下降后上升,在 焊接转速为 2800 r/min 时,孔洞数量达最少。另外,焊件表面残余应力呈四周对称分布,并在压紧环外 径处出现最大值。     

6082-T6/7075-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头的疲劳性能研究

为提高异种高强度铝合金焊接接头在复杂交变载荷作用下的服役可靠性,采用疲劳极限测量、疲劳断口形貌分析、金相分析和显微硬度测试等方法,研究了6 mm厚的6082-T6/7075-T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头疲劳性能及疲劳断裂的影响因素.结果 表明,1200 r/min、80 mm/min条件下,焊接接头疲劳极限为107.5 MPa.110 MPa疲劳载荷下,疲劳裂纹起源于前进侧(6082-T6)的焊核区与热机械影响区(TMAZ)交界位置的试样棱边尖角附近.这是由于焊接热循环导致β"相转变为β'相并粗化形成软化区、试样表面存在脆性第二相、2种材料在焊核区与热机械影响区交界处混合不均匀引起的应力集中,以及试样棱边尖角引起的应力集中等几种因素共同叠加作用所致.     

汽车用铝钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头组织及界面特征研究

随着轻量化技术的发展，镀锌钢板与铝合金等异种金属连接在现代汽车工业中的应用越来越多，回抽式无匙孔搅拌摩擦点焊具有热输入低、焊缝晶粒细小、接头力学性能高等优点，在铝合金等轻金属焊接领域具有很大的优势。本工作使用回抽式搅拌摩擦点焊技术，成功实现了0.7 mm厚的镀锌钢板与2 mm厚的铝合金板的无匙孔搅拌摩擦点焊连接。在不同的焊接转速下，对铝钢异种金属进行无匙孔搅拌摩擦点焊实验研究，分析了无匙孔搅拌摩擦点焊接头的剪切性能、断口形貌、各区微观组织、界面区特征及连接机理。研究结果表明，转速为1 200 r/min、压入量为0.2 mm、焊接时间为15 s时焊接接头最佳，具有最好的力学拉伸性能，断裂位置为热机影响区；通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对接头的微观形貌以及断口形貌进行观察分析发现，在搅拌区接头界面形成了约6μm厚的金属间化合物，为AlFe₃、Al₁₃Fe₄、AlFe；各位置处金属间化物的形貌与厚度不同，断裂方式为混合断裂机制，界面处的连接为机械结合和冶金结合两种接合方式。     

6061铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程的数值模拟

目的 研究回填式搅拌摩擦点焊的产热机理。方法 利用DEFORM-3D有限元软件对焊接过程进行了数值模拟,得到了不同位置的温度循环和不同时刻的温度场,并通过改变搅拌头转速,研究了不同转速下接头的温度循环和温度场。结果 在套筒达到最大下扎深度附近测试点温度最高,最高温度分布在套筒下方金属;在水平方向,离焊点中心越近,温度上升速率越快,峰值温度越高,在厚度方向,温度循环变化不大;随着搅拌头转速增加,测试点温度上升速率增大,峰值温度升高。结论 通过数值模拟方法可以获得回填式搅拌摩擦点焊接头的温度场和温度循环,为研究其产热机理提供理论指导。     

铝/钢搅拌摩擦焊对接焊缝组织及机理研究

为了提高Q235钢板和6082-T6铝合金对接的连接强度,采用搅拌摩擦焊进行对接焊接.研究了不同尺寸和形状的搅拌头、转速、焊接速度和偏移量等对铝钢对接焊缝组织的影响,进而优化了搅拌摩擦焊工艺.实验结果表明:不同形状的搅拌头影响接头"钉子"形状,接头的不同位置处由于受到不同热循环和搅拌导致晶粒尺寸不同,从而影响接头的力学性能.当搅拌针旋转速度260 r/min,焊接速度16 mm/min,针头偏向铝侧0.2 mm时,所得焊缝的拉伸强度为141.204 MPa,为最佳工艺参数.在此最优参数下获得过渡层的厚度约为8μm,界面的主要成分是Fe Al3.     

异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺的研究

目的 研究搅拌头转速和轴套下压量对异质铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头的组织及力学性能的影响。方法 采用回填式搅拌摩擦点焊技术对7050铝合金和2524铝合金进行搭接焊试验,焊接完成后利用光镜、体式显微镜、扫描电镜对组织进行观察,另外,测试拉伸剪切载荷和显微硬度分布,最后对断裂行为进行了研究。结果 接头区域可以分为焊核区、热力影响区、热影响区、母材4个区域,焊核区晶粒呈细小等轴状,热力影响区晶粒呈粗大长条状。随搅拌头转速的增大,拉剪载荷降低,当转速为1500 r/min时拉剪载荷值最高,其值为7.499 44 kN。热影响区的显微硬度比母材低,最小值为HV106。接头的断裂方式可以分为剪切型断裂、塞型断裂、剪切-半环型断裂。结论 在一定工艺参数范围内,通过适当降低搅拌头转速能显著提高接头的拉剪载荷,轴套下压量对接头的断裂方式影响显著。     

2024铝合金水下搅拌摩擦焊热力耦合仿真分析

目的 优化搅拌摩擦焊接工艺参数,以提高接头的力学性能。方法 基于ABAQUS软件建立了热力耦合有限元模型,使用耦合欧拉-拉格朗日方法对典型的航空航天用板材2024铝合金的水下搅拌摩擦焊接过程进行了仿真研究。分析了搅拌摩擦焊接过程中板材的温度场分布和材料变形情况,同时研究了前进侧和后退侧相应位置材料的流动特征,进一步讨论了搅拌头冷却速度和摩擦因数对焊接温度和材料流变场的影响。结果 当摩擦因数较小时,针对焊接过程的有限元模拟将会失败;前进侧和后退侧材料变形和流动差异显著;焊接温度和等效应变随摩擦因数的增大而升高,随冷却速度的增大而降低。结论 当摩擦因数为0.8时,能较好地完成焊接。相对于空冷,水冷能明显缩短高温持续时间。     

双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场数值模拟分析

目的 研究铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头温度场和流场规律。方法 以2024铝合金为研究对象,借助FLUENT软件,综合考虑了温度和应变速率对铝合金粘度的影响,采用修正的本构模型,分析了典型双轴肩搅拌摩擦焊接条件下接头温度和速度特征。结果 搅拌头边缘,应变速率较大,接近1000 s-1;温度场呈现出对称的哑铃状分布,最高温度为751 K,达到2024铝合金熔点的83%;前进侧温度大于后退侧温度,前进侧温度为640 K左右,后退侧为600 K左右;双轴肩摩擦焊材料流动速度大于常规焊,前进侧速度大于后退侧速度,前进侧轴肩作用区域大于后退侧;前进侧轴肩作用区域延伸至板材中间,造成带状不连续缺陷。结论 CFD软件Fluent可以较为准确地分析双轴肩搅拌摩擦焊的温度场和流场,可为搅拌工具的优化提供依据。     

The influence of coefficient of friction in thermal prediction of refill friction stir spot welding process of AA7075-T6

Numerical modelling of refill friction stir spot welding helps in the deep investigation of physics involved in the joining process. The current study investigates four variants of contact models and their influence on thermal prediction in the process. The contact models with constant shear and coulomb friction coefficients and temperature-dependent shear and coulomb friction coefficients were used in the numerical models to investigate the influence of friction coefficients in the prediction of thermal cycles in refill friction stir spot welding. The results from the numerical model are compared and validated with the experimental results from a previous study. The contact model with temperature-dependent coulomb friction coefficient was concluded to be more reliable when compared to the other three contact models. The temperature for this contact model at the centre of the weld is 505 °C, which differs from the temperature recorded in the experiment by 2 %. The peak temperatures of numerical models with constant coulomb and shear friction coefficients differ from the experimental temperature at the weld centre by 5.17 % and 16.8 % respectively.     

Effects of various tool plunge depths on microstructure evolution,mechanical properties and dome structure features of friction stir spot welded AA5052-H32 similar joints

The solid-state nature of friction stir spot welding process provides outstanding advantages for the sound joining of aluminum alloys. Within this study, 3 mm-thick AA5052-H32 sheets are successfully joined by friction stir spot welding using 2344 hot-worked steel pin to investigate the effects of various tool plunge depths on the microstructure, mechanical and metallurgical properties of similar welds. Therefore, the experiments are performed at different plunge depths in the range of 3 mm–4 mm. Accordingly, the relationships between the process parameter (tool plunge depth) and the responses (microstructure, dome structure, microhardness and lap shear tensile load) are established. Microstructure analyses demonstrate that the increase in the plunge depth leads to more grain refinement within the stir zone, which significantly affects the mechanical performance of the similar joints. This study also indicates that the tool plunge depth in friction stir spot welding process has a noteworthy influence on the characteristic features of the 5052 aluminum alloy joints, such as the dome structure. Moreover, an explicit increase in the microhardness towards the weld stir zone is observed in all specimens. It is found that the average maximum tensile-shear force enhances with the increment in the tool plunge depth from 3 mm to 4 mm.     

铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接接头组织性能研究

目的探究超声振动对铝合金搅拌摩擦焊的作用效果。方法分别采用普通搅拌摩擦焊和超声辅助搅拌摩擦焊方法,对7075铝合金进行焊接试验,并对焊接接头的微观组织、力学性能、断口形貌进行分析。结果普通搅拌摩擦焊焊缝中生成了隧道型缺陷,施加超声振动后,缺陷消失,形成了无缺陷的良好接头,且与普通搅拌摩擦焊相比,超声辅助搅拌摩擦焊焊缝热影响区晶粒长大程度较小,焊核晶粒细化。接头强度明显提高,达到铝合金母材强度的71.5%,接头断裂模式为韧窝和准解理的混合断裂形式。结论超声振动促进了塑性金属的流动,能有效抑制孔洞、隧道型缺陷等的形成,同时超声振动能在提升金属塑性的同时,降低焊缝的热输入。     

Mechanical performance optimization of similar thin AA 7075-T6 sheets produced by refill friction stir spot welding

Refill friction stir spot welding was applied to weld similar thin AA 7075-T6 aluminum alloy sheets in a spot-like joint configuration without a keyhole. The welds were produced using a small tool consisting of sleeve and probe with diameters of 6 mm and 4 mm, respectively. Design of experiment was employed to optimize the welding parameters in terms of the cross tensile strength by using Box Behnken Design. Based on analysis of variance, it can be concluded that plunge depth strongly affects the mechanical performance of the weld. Optimal welding parameters in terms of rotational speed, plunge depth and speed are identified to reach a cross tensile strength of up to 660 N.     

铝/钢异种材料搅拌摩擦焊研究进展

由于铝、钢的物理化学性质存在巨大差异,铝/钢的连接是焊接领域的难点问题。搅拌摩擦焊是低热输入的固态连接方法,能够有效控制铝/钢金属间化合物的生长,且搅拌针强烈的搅拌作用可增加铝/钢异种材料机械咬合程度,得到高质量的铝/钢焊接接头,铝/钢搅拌摩擦焊已经成为了焊接领域的热点问题。文中综述了铝/钢搅拌摩擦焊国内外研究现状,涉及到接头形式、焊缝成形、焊接工艺和力学性能,着重介绍了铝/钢搅拌摩擦焊接头的连接机制,并围绕铝/钢搅拌摩擦焊存在的两大问题,对铝/钢搅拌摩擦焊新技术进行总结,并进一步提出了铝/钢搅拌摩擦焊的基础研究方向。     

7075铝合金高速搅拌摩擦焊材料流动行为及性能研究

目的 针对7075–O铝合金高焊速、高转速搅拌摩擦焊接缺陷多、质量差等问题,研究焊接接头材料流动对焊缝性能的影响。方法 选用焊接速度1 000 mm/min,搅拌转速分别为1 000、1 200、1 600、1 700 r/min的条件对7075–O铝合金板进行搅拌摩擦焊接,分析不同焊接工艺参数下焊接接头的显微组织及力学性能。同时,利用Fluent软件模拟7075–O铝合金搅拌摩擦焊接过程中的材料流动场分布,分析焊接材料流动与缺陷形成的关系。结果 利用7075–O铝合金三维流动模型,预测出高焊速条件下焊缝前进侧形成一个低压区,孔洞等缺陷易出现在此区域,数值模拟预测与试验结果吻合。在高焊接速度1 000 mm/min、焊接转速1 200 r/min时,焊缝表面光滑平整,焊核区域的硬度分布更加均匀。结论 随着搅拌转速从1 000 r/min增大到1 700 r/min,热输入量逐渐增大,孔洞缺陷由隧道型孔洞转变为不连续的小孔。同时,随着搅拌转速的增大,焊缝高硬度区域的宽度先增大而后降低。当搅拌转速为1 200 r/min时得到了优质的焊接接头,焊缝焊核区硬度分布均匀,硬度值最高为176HV。