搅拌摩擦焊接技术的研究现状与前景展望

搅拌摩擦焊接技术是近年来发展较快的一种焊接技术,目前在多个行业中获得了深度关注并取得了飞速发展,研究材料从最初的铝合金到现在涵盖了多种的金属材料、轻合金材料、非金属材料等;搅拌头结构也已经多种化,从传统的结构发展到现在的以双头搅拌头、固定轴肩搅拌头和浮动轴肩搅拌头等为代表的创新形式焊接工具,焊接工艺从单一以控制转速比、轴向压力、焊接倾角和下压量的单热源摩擦焊再到为解决高熔点金属的搅拌摩擦焊应用的先进焊接技术,如激光、等离子、超声-搅拌摩擦复合焊等以及电磁感应-摩擦复合焊等复合焊接方法。搅拌摩擦焊接技术以其巨大发展潜力和独有的技术优势迅速得到社会的认可和技术推广,逐渐成为当下最热门的固相连接技术方法之一。     

搅拌摩擦焊的原理与应用

搅拌摩擦焊是摩擦焊方法的新发展,是英国焊接研究所提出的专利技术。它可以对多种熔化焊接性差的有色金属等材料进行可靠的连接,而且连接工艺简单、并有较好的工艺适应性。现已开始应用在航空航天与交通运输等领域的结构铸造,并显示良好的工程应用前景,本文主要介绍了搅拌摩擦焊的方法,过程和特点。     

摩擦搅拌焊新工艺发展与应用

介绍了摩擦搅拌焊接工艺的现状，特点、优缺点，应用及发展前景。     

搅拌摩擦焊数值模拟的研究现状

本文论述了国内外搅拌摩擦焊数值模拟的研究现状,重点讨论了国内外研究人员对不同形式的速度场、力场、温度场等的计算机数值模拟,针对不同的搅拌摩擦焊焊接工艺,研究人员提出了不同的数值计算模型,将材料的流动看作是稳态、层流、粘性、非牛顿流体,经实验进行验证能够得到基本符合的数值模拟结果,同时对搅拌类型的数值模拟有较好的指导作用。     

铝合金的搅拌摩擦焊

在详细介绍搅拌摩擦焊原理，特点的基础上，针对铝合金的搅拌摩擦焊特点，性能以及工业应用进行了阐述，并且对搅拌摩擦焊在中国市场的发展和应用作了简略介绍和预测。     

2024铝合金搅拌摩擦焊二维流场的数值模拟

采用计算流体力学软件FLUENT建立了基于有限体积法的二维塑性材料流动模型,对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程中材料的塑性流动进行数值模拟,研究了焊接参数影响焊缝区域在沿垂直焊件表面方向上材料塑性流动特征的规律。结果表明,在紧靠搅拌头区域材料的塑性流动最剧烈,速度明显高于距搅拌头较远的区域,且材料在回撤边发生绕流现象;随着搅拌头旋转速度的增加,搅拌头附近区域材料流动速度增加,且材料流动较剧烈的区域明显扩大;焊接速度的提高对搅拌头及其附近区域材料的流动影响不大。     

热源辅助搅拌摩擦焊的研究进展

综述了热源辅助搅拌摩擦焊的研究进展,重点描述了产热和成形等基本焊接过程,辅助热源与摩擦热组成的复合热源成为复合焊接的主要热源。讨论了如何设定影响复合焊接过程的工艺参数以及辅助热源的选择、加热位置以及复合方式等如何影响复合焊接过程。总结了复合焊接的优点,包括焊接作用力、焊接速度、焊接质量以及焊接热输入的改变。展望了未来更深入的研究,以更好地理解和应用复合焊接。     

铝合金列车侧墙搅拌摩擦焊变形模拟仿真与工艺优化

以铝合金车体侧墙搅拌摩擦焊过程为研究对象,应用数值模拟技术开展焊接变形的研究及控制。基于分段温度函数法的高效计算方法,建立了该焊接结构三维有限元模型,得到结构焊后的变形分布,焊接变形呈马鞍状,结构面外变形约1.7 mm。为减小焊接变形,提出了三种不同焊接顺序和方向优化方案,并分别进行了数值模拟。结果表明,从中间向两边进行分段焊接可减小焊接变形50%,而单纯改变不同焊缝的焊接方向,对变形几乎没有影响。     

搅拌摩擦焊的研究现状及前景展望

对搅拌摩擦焊的研究现状作了介绍,总结了其问世以来20年的研究成果,涉及焊接材料、材料的塑性流动机理、焊接工艺参数、数值模拟、焊接设备及搅拌摩擦焊的新技术几方面,并对未来的研究方向作了探讨。     

钛合金的搅拌摩擦焊探索

通过对钛合金热物理性能分析，比较了钛合金的搅拌摩擦焊特性；针对钛合金的特点特别设计和使用了可以满足钛合金搅拌摩擦焊的搅拌头、垫板、冷却和保护装置等；并且对Ti-6Al-4V钛合金的搅拌摩擦焊焊缝和接头进行了观察分析，还对接头力学性能进行了测试，初步试验结果表明搅拌摩擦焊可以实现钛合金焊接，接头强度可以达到母材强度90％以上，但是搅拌摩擦焊工艺、参数、搅拌头还需要进一步优化，性能指标还可以进一步提高。     

搅拌摩擦焊接过程的有限元模拟

对摩擦搅拌焊接工艺进行数值仿真，建立了搅拌摩擦焊接的二维数值计算模型，通过数值手段进行焊接参数研究。并研究了焊接工艺过程中焊件材料的流动情况以及在焊接过程中材料的应力和应变情况，且与已有结果进行比较。证实了所建立模型的正确性与可靠性。     

搅拌摩擦焊接中参数变化对温度场分布的影响

文章建立了搅拌摩擦焊接过程的三维有限元热分析模型,讨论了旋转速度、搅拌头半径、轴肩半径、搅拌针锥角以及螺纹角等焊接参数对工件温度场的影响。计算结果表明,在焊接过程中,工件的最高温度低于熔点,为固相连接。在焊接工艺参数许可的范围内,旋转速度和搅拌针半径的增加,会使搅拌摩擦焊接过程中的最高温度值增加,而锥角和螺纹角增加,会使最高温度值随之减小,轴肩半径的改变对工件温度场的影响相对较小。     

Modeling of material flow in friction stir welding process

This paper presents a 3D numerical model to study the material flow in the friction stir welding process. Results indicate that the material in front of the pin moves upwards due to the extrusion of the pin, and then the upward material rotates with the pin. Behind the rotating tool, the material starts to move downwards and to deposit in the wake. This process is the real cause to make friction stir welding process continuing successfully. The tangent movement of the material takes the main contribution to the flow of the material in friction stir welding process. There exists a swirl on the advancing side and with the increase of the translational velocity the inverse flow of the material on the advancing side becomes faster. The shoulder can increase the velocity of material flow in both radial direction and tangent direction near the top surface. The variations of process parameters do have an effect on the velocity field near the pin, especially in the region in which the material flow is faster.     

异种材料及复合热源搅拌摩擦焊

在对接和搭接方式中,异种材料搅拌摩擦焊相较于同种材料分别具有一些额外的焊接参数,并且对搅拌头材料也有更苛刻的使用要求。总结近年来异种材料搅拌摩擦焊的研究现状,介绍异种材料搅拌摩擦焊过程中脆性金属间化合物的生成及其对焊接接头的力学性能产生的影响。从金属流动机理和数值模拟方面,研究金属间化合物的生成和成长规律,给出针对金属间化合物可能的解决方法。针对高熔点焊材,介绍复合热源搅拌摩擦焊技术、常用的辅助热源以及复合热源搅拌摩擦焊在异种材料搅拌摩擦焊方面的优点和研究的不足之处。     

Numerical simulations on material flow behaviors in whole process of friction stir welding

A finite element model based on solid mechanics was developed with ABAQUS to study the material flow in whole process of friction stir welding (FSW), with the technique of tracer particles. Simulation results indicate that the flow pattern of the tracer particles around the pin is spiral movement. There are very different flow patterns at the upper and lower parts of the weld. The material on the upper surface has the spiral downward movement that is affected by the shoulder and the lower material has the spiral upward movement that is affected by the pin. The velocity of the material flow on the periphery of the stirring pin is higher than that at the bottom of the stirring pin. The material can be rotated with a stirring pin a few times, agreeing well with the previous experimental observation by tungsten tracer particles.     

搅拌摩擦焊研究进展及前景展望

搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是针对焊接性差的铝合金开发的一种新型固相焊接工艺，由英国焊接研究所TWI(The Welding Institute)于1991年开发的专利技术。文中对搅拌摩擦焊工艺进行简单介绍并对研究现状做了比较详尽的总结，涉及搅拌摩擦焊机理即塑性流体运动情况及“洋葱”圆环的形成机理、适用母材、接头微观组织、力学性能、焊接工具、复合焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域，并展望FWS的发展前景。     

搅拌摩擦焊在中国的发展

作为新世纪连接技术的新星,搅拌摩擦焊的发明、发展和工业化对世界工业制造领域产生了巨大的推动力.介绍了搅拌摩擦焊技术及其在中国的发展状况.     

DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场研究

根据无匙孔搅拌摩擦点焊过程的特点,建立了简化的热输入数值模型,利用有限元分析软件ANSYS模拟1 mm DP600镀锌钢板和3 mm 6061铝合金板搭接无匙孔搅拌摩擦点焊过程中的瞬态温度场分布和各特征点的热循环曲线。通过模拟结果与热电偶测得的各特征点温度曲线的对比,发现随着焊接过程的进行,最高温度出现在DP600上表面轴肩2/3处;对比分析不同搅拌头转速下焊点区域温度分布的情况,得到转速对温度分布的影响规律,进而验证了热输入模型和模拟方法的正确性,为工艺实验参数的选取提供科学的依据。     

搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式

采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟,并详细分析了搅拌摩擦焊接过程中的材料流动形式.结果表明,模型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料流动和温度分布情况.通过对搅拌头周围材料流动的研究,分析了搅拌摩擦焊接过程中飞边现象形成的主要原因.研究了搅拌摩擦焊接构件不同厚度上材料的三维流动形式,通过与二维情况的比较证实,二维情况下的材料流动数值模拟结果对应于搅拌摩擦焊接构件靠近下表面部分的材料流动情况.从等效塑性应变的分布也能证实搅拌头轴肩对靠近上表面的材料行为具有明显影响,而对下表面附近材料行为影响较弱,从而说明二维情况对应三维情况靠近下表面的部分.