搅拌针偏心距对焊缝金属塑性流动行为的影响

采用搅拌针偏心距分别为0.1,0.2,0.3,0.4 mm搅拌头对叠层进行焊接试验,分析其对焊缝金属塑性流动行为影响.结果表明,焊缝由轴肩区、紊流区、焊核区及挤压区组成,其中紊流区为焊核区和轴肩区挤压金属形成的结果,前进侧挤压区金属变形尺寸明显大于返回侧.随偏心距增加,焊核区面积、宽度及挤压区标示材料向上迁移高度先增大后减小,前进侧标示材料向上迁移距离大于返回侧.由0.2 mm偏心距搅拌头获得焊核区面积和标示材料向上迁移距离最大.但焊核区宽度最大焊缝由0.3 mm偏心距搅拌头获得.根据焊缝金属塑性流动形态,提出搅拌针波动式挤压物理模型.     

搅拌摩擦焊接三维流动模型

建立了搅拌摩擦焊焊接过程中塑性软化层的流动行为物理模型,该模型根据不同部位的流动特点将软化层的流动分成三部分,轴肩端面附近的软化层流动、搅拌针上部的软化层流动和搅拌针端部附近的软化层流动行为。轴肩端面附近的软化材料首先流入搅拌针行进过程中于搅拌针后部形成的空腔内,剩余软化材料围绕着轴肩侧面缓缓地由前进侧流动到搅拌针的后部,并于轴肩后部侧表面上形成了焊缝表面弧形纹的弧峰;搅拌针上部附近的软化层以剪切的方式从搅拌针前部流动到搅拌针后部;搅拌针端部附近的软化层以挤压的方式从搅拌针的前部流动到搅拌针的后部。     

搅拌针表面形状对焊缝金属轴向迁移的影响

采用不同表面形状的搅拌针对20 mm厚7075铝板进行焊接,分析其对焊缝金属沿轴向迁移的影响.结果表明,使用圆锥形搅拌针焊接时,随着旋转速度增加,焊核区面积、塑化金属沿两边向上迁移高度先增大后减小,疏松区面积则先减小后增大.同一焊缝中焊核区内塑化金属沿前进边向上迁移高度大于返回边.采用375 r/min旋转速度焊接时获得的焊核区面积、塑化金属向上迁移高度最大,疏松区面积最小.而使用三角平面搅拌针焊接时,瞬时空腔的出现增强了沿焊缝水平方向上"抽吸-挤压"效应,同时改善塑化金属沿轴向上的流动性,导致疏松缺陷消失.     

搅拌头形状对搅拌摩擦焊接头中洋葱环形貌的影响

采用铝箔作为标示材料,用不同螺纹旋向、不同轴肩直径的搅拌头进行了搅拌摩擦焊试验。结果表明,搅拌针表面为左旋螺纹时,洋葱环中心出现在焊缝的中下部,搅拌针表面为右旋螺纹时,洋葱环中心出则现在焊缝的上部;洋葱环花纹是由搅拌针附近的塑性金属在搅拌针表面螺纹的驱动下沿厚度方向迁移并在搅拌针端部或根部形成挤压区所造成的;轴肩较大的搅拌头有利于塑性金属在焊缝厚度方向上的迁移,洋葱环更易于在厚度方向上扩张。     

基于固态连接原理的填充式搅拌摩擦焊匙孔修复技术

基于固态连接原理提出了填充式搅拌摩擦焊匙孔修复技术,设计了搅拌针为可消耗式的分体式焊具.在填充式搅拌摩擦焊过程中,利用与被焊结构同质的铝合金搅拌针的塑性变形和流动,实现了对焊缝匙孔的固态补焊.搅拌针与匙孔界面结合良好,界面处材料发生了塑性变形和连续的材料流动,补焊接头处存在填充区、焊核区、准焊核区、热力影响区和热影响区.结果表明,匙孔补焊接头的抗拉强度和断后伸长率均达到无缺陷原始焊缝的90%,实现了对焊缝匙孔的准等强修复,该技术为搅拌摩擦焊焊缝缺陷的修复和无匙孔搅拌摩擦焊提供了技术支撑.     

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。     

搅拌摩擦焊接材料流动模型及在缺陷预测中的应用

为了研究搅拌头倾角对搅拌摩擦焊接过程的影响机理,基于DEFORM-3D软件建立了带倾角的FSW三维热-力耦合模型,模拟了搅拌摩擦焊接过程中焊缝区材料的三维运动轨迹,对比分析了有无倾角时FSW过程中材料流动行为的差异. 结果表明,前进侧材料绕搅拌针旋转后大部分沉积于搅拌头后方前进侧区域,返回侧的材料大部分被搅拌头旋推至后方而沉积;采用倾角可以增强搅拌头后方材料从返回侧运动至前进侧区间的流动性,同时还有利于增强材料在厚度方向的运动能力. 根据模拟的材料流动行为对接头缺陷进行了趋势预测,预测结果与试验结果吻合良好.     

T形接头角接静轴肩搅拌摩擦焊三维流动特征

在T形接头横截面方向预置0.1 mm铜箔作为示踪材料，进行了角接静轴肩搅拌摩擦焊，焊后对T形接头角焊缝进行X-ray 2D透射和X-ray 3D扫描，得到了角焊缝示踪材料的2D流场和3D流场. 在前进侧热塑性材料主要以摩擦剪切为主，材料流动主要向焊接方向流动，并流向前进侧后方，后退侧材料主要以挤压为主，由于T接搅拌针螺纹的存在，使得材料整体向后退侧下方流动. 同时发现，在T接静轴肩后沿附近下方存在示踪材料"堆积区"，表明T接静轴肩对附近的材料塑性流动存在一定的阻碍作用. 根据所获得的观察结果，建立了T形接头角焊缝的三维流动主要特征模型.     

铝合金搅拌摩擦点焊接头塑化金属流动形态分析

在搅拌摩擦点焊过程中,塑化金属的流动形态是影响焊点成形及接头力学性能的主要因素。通过采用镶嵌标识材料的方法,研究了搅拌摩擦点焊过程中接头塑化金属的流动形态。结果表明,在焊点横截面上,匙孔两侧塑化金属发生塑性变形的宽度基本相同,从焊点表面到底面,塑性变形区宽度逐渐减小。在焊点的上部,塑化金属主要受轴肩的作用,在轴肩摩擦力和材料之间的剪切力作用下沿搅拌针旋转的方向运动,随着距焊点表面距离的增大,塑化金属沿搅拌针旋转方向的运动趋势逐渐减小。搅拌针周围的塑化金属在搅拌针螺纹向下的压力作用下,以螺旋状向焊点底部运动,运动到焊点底部后受底板的阻碍和未塑化金属的挤压作用从搅拌针四周向焊点上部运动。     

Q235钢板与6082铝合金搅拌摩擦焊工艺

通过对Q235钢板和6082铝合金进行搅拌摩擦焊接,并用正交试验对搅拌摩擦焊工艺参数进行优化. 结果表明,焊接过程中,将钢板放在返回侧,铝板放在前进侧[1],离搅拌针较近的钢侧金属发生软化,并且在轴肩横向切应力作用下形成短"钉子",最终在搅拌针的旋转作用下填充到搅拌针后方形成的空腔内,当下压量为0.2 mm时,比较容易得到优质的焊缝;搅拌针旋转速度为260 r/min,焊接速度为16 mm/min,针头偏向铝侧0.2 mm时,所得焊缝的抗拉强度为141.204 MPa,断裂发生在铝侧焊核区与热力影响区的交界处;钢侧热机影响区的硬度比母材高,而铝侧热机影响区比母材低.