搅拌摩擦焊残余应力研究现状及展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接技术,目前国内外的研究主要集中在工艺、组织、力学性能等方面,而有关搅拌摩擦焊缝内部残余应力的研究相对较少。由于检测设备的限制,国内主要采用有损检测方法,无损检测方法却很少。详细综述了国内有关搅拌摩擦焊件内部残余应力测试的钻孔法、云纹干涉法,以及国内外无损检测方法中的X射线衍射法、中子衍射法和高能同步辐射法的研究概况,讨论了各种检测方法的优缺点,对未来搅拌摩擦焊残余应力的研究作了展望。     

转速对 7075-T651 铝合金搅拌摩擦焊接件内部残余应力分布的影响

目的掌握铝合金搅拌摩擦焊接板内部残余应力的分布,为控制焊接残余应力、改进焊接工艺和提高焊接件质量。方法以13.6 mm厚的7075-T651铝合金为研究对象,用短波长X射线衍射技术,对在不同搅拌头转速下搅拌摩擦焊接板内部的残余应力进行了无损测试,并对焊接接头在板厚中心层上的微观组织和显微硬度进行了研究。结果在垂直于焊缝截面上的显微硬度均呈"W"型分布,焊核区的显微硬度高于其两侧的热机械影响区和热影响区,但低于母材区的硬度;随着转速的增大,接头硬度的最小值减小,低硬度区的范围越大。横向残余应力绝对值整体小于焊接方向;焊核区为正应力,热机械影响区残余应力减小且变化梯度最大;残余应力的极大值位于热影响区和热机械影响区的交界处;残余应力极大值与硬度最小值的位置重合。结论通过残余应力的无损检测分析,不仅可以直接获得加工件内部应力分布,还可以间接获得加工件内部的加工缺陷情况,为改进加工工艺、提高成形精度提供依据。     

晶体材料内部残余应力衍射法无损检测的研究进展

目前能够准确、无损地测试材料内部残余应力的手段主要是中子衍射和同步辐射,但这两种测试手段需要核反应堆或高能同步辐射源,投资巨大,只为少数发达国家的少数实验室所拥有,难以应用到实际生产中。短波长X射线衍射仪通过钨靶-K_α特征射线(波长约0.02 nm)以及独特的谱接收方式,达到或接近同步辐射及中子衍射对晶体材料内部晶格应变的无损定点测试,为内部残余应力无损检测的广泛应用开辟了一条新的渠道。介绍了中子衍射和同步辐射对残余应力测试的国内外研究现状,重点展示了短波长X射线衍射仪用于内部应力测试的结果,并就三种测试方法特点进行了对比分析。     

轨道车辆型材结构搅拌摩擦焊残余状态研究

目的 研究轨道车辆中典型的箱型和V筋结构型材搅拌摩擦焊残余状态。方法 采用顺序热力耦合方法进行了搅拌摩擦焊残余应力及变形的仿真研究。结果 给出了上下壁板焊缝区域的残余应力大小及分布规律,阐述了两种结构的横向和纵向残余变形特征。对V筋结构型材,分析了不同筋板角度对焊接残余状态的影响。结论 残余应力方面,主要表现为纵向残余应力,上下壁板两条焊缝的残余应力峰值相近,高应力分布区域宽度差别较大。残余变形方面,箱型结构呈马鞍形,V筋型材呈下凹形。V筋型材筋板夹角的变化对残余应力没有显著影响。筋板角度增大,纵向残余变形减小而横向残余变形增大。     

喷丸处理对2219铝合金搅拌摩擦焊焊接残余应力的影响

对2219铝合金板进行了搅拌摩擦焊(FSW)和喷丸处理，采用X射线衍射仪(XRD)测量了搅拌摩擦焊和喷丸产生的残余应力，分析了残余应力的分布特征，研究了弹丸直径、弹丸材料、喷射距离等参数对搅拌摩擦焊接残余应力分布的影响。结果表明：焊接后，焊缝附近存在较大的残余拉应力，焊缝中心线±20 mm范围内的平均应力高达100.9 MPa,而远离焊缝的母材区域接近零应力状态；喷丸后，试样残余应力分布发生显著变化，表层残余应力表现为压应力，并且该压应力数值随着深度的增加先增大后减小，最后保持为拉应力；增大弹丸直径可提高最大残余压应力值和残余压应力层深度，但当弹丸直径继续增大至1.2 mm时，最大残余压应力值不再继续增大；选用合适的弹丸材料可获得理想的残余压应力分布情况；随着喷射距离的增大，最大残余压应力值和残余压应力层深度先增大后减小。     

中子衍射残余应力无损测量技术及应用

中子衍射作为一门实验技术,在描述材料内部残余应力方面有巨大的潜力,是允许工程师或材料科学家进行三维、无损、深度地获取材料内部残余应力分布状态的少数技术之一.回顾了中子衍射测量残余应力的发展历史,概述了中子衍射残余应力分析方法的基本原理与特点,并简单介绍了其在材料科学和工程应用领域的应用情况.最后根据国际国内中子源及中子谱仪的发展趋势,展望了此技术的应用领域与未来前景.     

铝合金氩弧焊与搅拌摩擦焊残余应力对比分析

铝合金材料由于其重量轻、耐腐蚀等优点被广泛应用于石油海洋工程中。铝合金的焊接及焊接接头的性能,备受关注。不同的焊接方法和焊接工艺产生的焊接残余应力对接头的疲劳寿命影响极大。以氩弧焊和搅拌摩擦焊工艺,选用不同的铝合金材料,采用小盲孔法测试焊接残余应力。比较了两种焊接方法、工艺所产生的接头焊接残余应力值,为今后铝合金焊接接头中,疲劳性能的计算提供初步的数据。试验结果表明,在铝合金的氩弧焊和搅拌摩擦焊对接接头中,残余应力的最大值均出现在焊缝中心到热影响区的范围内,随着与焊缝中心距离的增加,残余应力的数值逐渐减小。     

角度分散法中子衍射应力测试技术的应用

由于中子具有较高的穿透能力,利用中子衍射容易获得块状试样内部特定位置的三维点阵面间距,从而实现应变/应力分布的较准确评价。首先介绍了各种应力测试技术的研究现状以及角度分散法中子衍射应力测试技术的基本原理;然后结合冲压成型试样的强度评价、复层钢板拉伸变形后的残余应变评价以及负荷条件下钢筋混凝土中钢筋的应力分布等中子衍射典型试验研究,说明角度分散法中子衍射应力测试技术在国外已广泛应用于工程结构件与材料内部应力的定量研究;最后展望了角度分散法中子衍射应力测试技术在国内的研究前景。     

铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接残余应力及变形分析

目的对民机用铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接残余应力及变形进行研究。方法采用热-力耦合数值模拟方法,分析民机用铝合金加筋壁板搅拌摩擦焊接过程,分别模拟了采用3种焊接顺序进行蒙皮-长桁焊接时,壁板温度场分布规律及焊后残余应力及变形情况。结果铝合金壁板搅拌摩擦焊接后,沿焊缝方向残余应力为拉应力,由此导致长桁及与其连接的蒙皮产生向上的挠曲变形,垂直焊缝方向,焊缝两侧的壁板向上翘曲。结论对于3种焊接顺序,采用"先两侧、后中心"由外向里的焊接顺序,得到的壁板残余变形最小。     

冷-热源辅助对FSW残余应力影响的数值模拟

目的采用焊接中施加冷热源辅助的方式对焊接应力进行控制,以减小焊后残余应力。方法采用热机耦合数值模拟的方式对2024铝合金搅拌摩擦焊接过程进行仿真,研究采用焊缝两侧加热且底部激冷的温差拉伸辅助工艺降低残余应力的效果。结果与常规工艺相比,温差拉伸时焊缝附近区域的温度梯度明显减小,焊缝区域温度峰值降低了75.3℃;搅拌头后方形成一个焊缝两侧温度高中间温度低的马鞍形温度场。两种工艺下的纵向残余应力峰值均位于焊缝边缘;相比于常规工艺,温差拉伸工艺下的残余应力峰值降低了23.4%。结论冷热源辅助可以有效减小搅拌摩擦焊接头的残余应力峰值。     

Effects of welding speed on the multiscale residual stresses in frictionstir welded metal matrix composites

The effects of welding speed on the macroscopic and microscopic residual stresses(RSes) in friction stir welded 17 vol.% SiCp/2009 Al-T4 composite plates were studied via neutron diffraction and an improved decoupled hierarchical multiscale modeling methods. Measurements showed that the macroscopic and total RSes had the largest variations in the longitudinal direction(LD). Increasing the welding speed led to higher values of measured LD macroscopic and total RSes in the matrix. The welding speed also significantly influenced the distributions and magnitudes of the microscopic RSes. The RSes were predicted via an improved hierarchical multiscale model, which includes a constant coefficient of friction based thermal model. The RSes in the composite plates before friction stir welding(FSW) were computed and then set as the initial states of the FSW process during modeling. This improved decoupled multiscale model provided improved predictions of the temperature and RSes compared with our previous model.     

搅拌摩擦焊接及其加工研究现状与展望

搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接工艺,在近些年取得了巨大的研究进展.从搅拌摩擦焊的工作原理和特点出发,对搅拌摩擦焊工艺参数、焊缝组织及性能进行了评述;最后简要介绍了搅拌摩擦加工的最新发展及在各工业领域中的应用概况.     

Transverse fatigue behaviour and residual stress analyses of double sided FSW aluminium alloy joints

Friction stir welding (FSW) since its invention has been attracting relevant interest for joining aluminium alloys. Due to the nature of this process, the materials can be joint without melting. Thanks to this peculiar characteristic, the issues associated with the cooling from liquid phase are avoided or considerably reduced, such as cracking, porosity, and defects. However, as well as other well‐established welding techniques, the FSW process gives rise to formation of residual stress in the welding region and surrounding volume: heat and thermo‐mechanical affected zones. Presence of residual stress in a mechanical component is well‐known to affect its performance, particularly regarding fatigue at high number of cycles. Another aspect that influences the fatigue life is the underlying microstructure. In this work, we firstly study the residual stress field and the underlying microstructural features arising in FSW butt joints and their effect on the fatigue performance of this type of weldments. The evaluation of residual stress field is carried out by means of modern experimental techniques. In the first instance, synchrotron X‐ray powder diffraction was employed for two‐dimensional full field maps of residual stress. Corroboration of these measurements was done by exploiting the capability of focused ion beam and digital image correlation (FIB‐DIC), which is able to deliver pointwise absolute measurement of residual stress. A set of FSW samples were then tested under uniaxial fatigue loading at several loading ranges, in the high cycle fatigue regime, in order to understand whether the severity of loads affects the crack path and life endurance. Fractographic and electron backscattered diffraction (EBSD) analysis then revealed crack nucleation site and propagation mechanisms with the respect of the underlying microstructure. Outcome of these experimental studies is then thoroughly discussed.     

铝锂合金搅拌摩擦焊研究进展

铝锂合金作为一种低密度、高性能的新型结构材料,被认为是航空航天领域中实现飞行器轻量化的理想结构材料之一。而搅拌摩擦焊作为一种固相焊接技术,能够克服铝锂合金熔化焊时易产生的裂纹、气孔等缺陷,在铝锂合金焊接领域具有重要的应用前景。从搅拌摩擦焊焊接工艺、接头组织与性能等方面综述了铝锂合金搅拌摩擦焊近几年的研究进展,总结了其存在的主要问题,并对铝锂合金搅拌摩擦焊技术未来的发展进行了展望。     

搅拌摩擦焊接技术的研究现状及其展望

搅拌摩擦焊是针对焊接性差的铝、铗合金而开发出的一种新型固相焊接工艺,由英国焊接研究所于1991年开发的专利技术.简要介绍了搅拌摩擦焊的应用现状,综述了近10年来国内外搅拌摩擦焊技术的发展概况和最新进展,比较详尽地总结了焊接接头形成机理、适用母材、接头微观组织、力学性能、焊接设备、焊接工艺及搅拌摩擦焊应用领域.     

外加能量辅助搅拌摩擦焊技术的研究进展

搅拌摩擦焊接已经成为材料成形领域主要的固相连接工艺技术。在简要回顾搅拌摩擦焊及其衍生焊接技术研发现状的基础上,综述了近年来国内外开展的第二能量辅助搅拌摩擦焊的研究现状,主要包括激光、电弧、感应、电流、超声等能量辅助搅拌摩擦焊技术。进而着重综述了超声振动辅助搅拌摩擦焊的研究进展,介绍了目前出现的3种超声振动在搅拌摩擦焊中的施加方式。最后,对外加能量辅助搅拌摩擦焊下一步的研发方向进行了展望。     

Taguchi optimization and ultrasonic measurement of residual stresses in the friction stir welding

The main goal of this study is optimization of residual stresses produced by friction stir welding (FSW) of 5086 aluminum plates. Taguchi method is employed as statistical design of experiment (DOE) to optimize welding parameters including feed rate, rotational speed, pin diameter and shoulder diameter. The optimization process depends on effect of the welding parameters on longitudinal residual stress, which is measured by employing ultrasonic technique. The ultrasonic measurement method is based on acoustoelasticity law, which describes the relation between acoustic waves and internal stresses of the material. In this study, the ultrasonic stress measurement is fulfilled by using longitudinal critically refracted (L_CR) waves which are longitudinal ultrasonic waves propagated parallel to the surface within an effective depth. The ultrasonic stress measurement results are also verified by employing the hole-drilling standard technique. By using statistical analysis of variance (ANOVA), it has been concluded that the most significant effect on the longitudinal residual stress peak is related to the feed rate while the pin and shoulder diameter have no dominant effect. The rotational speed variation leads to changing the welding heat input which affects on the residual stress considerably.     

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。