深轮辐齿坯多工位闭式模锻材料流动规律研究

探索闭式热模锻成形时材料的流动规律是控制充填不满等成形缺陷、获得高精度模锻件的理论基础。针对深轮辐齿坯件热模锻成形时易出现填充不满的问题,以某SCr420H深轮辐齿坯为研究对象,基于齿坯件结构分析,设计了“下料-加热-镦粗-预锻Ⅰ-预锻Ⅱ-终锻”的多工位闭式热模锻工艺方案;基于Deform软件,构建了深轮辐齿坯件多工位闭式热模锻全流程有限元模拟模型;采用试验验证了有限元模型的可靠性,并对多工位闭式热模锻成形过程中材料的流动规律进行了研究。结果表明:镦粗比为3.7时,可获得外形良好的圆饼形预制坯,镦粗时受上下表面摩擦效应的影响,材料径向流动不均匀,在坯件腰部出现鼓形;预锻Ⅰ工位成形出用于定位的底面内凹结构,同时减小了后续工位材料填充难度;预锻Ⅱ和终锻成形时的材料流动规律相似,成形前期材料集中流向轮缘部分、成形中期主要流向轮毂部分、末期流向圆角处;终锻成形时未出现材料填充不满的缺陷,在成形后期,少量金属材料从终锻上下模的导向间隙中流出,形成纵向飞边。通过生产试验,成形出填充良好的深轮辐齿坯件,模拟数值获得温度与实际生产数值最大误差不超过3.15%,纵向飞边高度小于0.5 mm,零件各尺寸偏差均小于0.2 mm,验证了所设计多工位闭式模锻工艺的合理性。

基于X形正反螺纹搅拌针的搅拌摩擦搭接焊材料流动及其影响下的接头成形规律

搅拌针大扎入下板是搅拌摩擦搭接焊(FSLW)常见的工艺方法,但向上弯曲的钩状缺陷会减小接头的有效搭接厚度,不利于获得高承载的接头。为实现钩状缺陷向下弯曲,设计了X形正反螺纹搅拌针并进行搅拌摩擦搭接焊过程材料流动行为的数值模拟,进而研究材料流动与接头成形间的关系。结果表明,在X形正反螺纹搅拌针作用下,焊接过程中焊核区下部与上部的材料分别向上与向下流动,在焊核区中间交汇后向沿水平方向流动;当材料交汇形成的材料集聚区位于原始搭接界面上方时,既可实现钩状缺陷的向下弯曲又可获得大宽度的焊核。在转速为800 rpm且焊速为300 mm/min时,2024-T4铝合金搭接焊接头的拉伸强度达到299.6 MPa,其大于已报道的2000系列铝合金接头强度值。

长内花键轴向进给滚轧成形过程材料流动行为

轴向进给滚轧是一种局部加载、轴向增量变形的塑性成形工艺,为长内花键提供了一种高性能、省力成形制造途径。采用数值方法研究分析了采用3滚轧模具的传动轴花键毂内花键轴向进给滚轧过程的材料流动行为。结果表明:材料的流动和变形主要发生在坯料的内表层,外表面基本没有材料流动;内花键轴向进给滚轧过程材料流动速度沿轴向逐渐减小,而累积的材料位移在不同成形区分布基本类似,只是位移量值有区别;不同滚轧模具切入区结构下滚轧过程中材料流动、位移的分布特征和演化特征类似,采用斜切式滚轧模具的滚轧过程中材料轴向流动倾向大于采用径缩式滚轧模具的滚轧过程轴向材料流动。

搅拌针偏移量影响铝镁异质金属搅拌摩擦焊材料流动的数值模拟

本文采用耦合的欧拉–拉格朗日方法,构建了添加中间金属的铝镁异质合金搅拌摩擦焊的数值分析模型。针对两种不同配置进行了研究:一种是搅拌头轴线与焊缝中心线重合(配置1),另一种是搅拌头轴线向铝合金偏置1 mm (配置2)。研究结果显示,配置1的材料流动更为充分。在前进侧,铝合金主要从搅拌头前方水平流动至后退侧;而在后退侧,一部分镁合金从搅拌头后方水平流动至前进侧,另一部分则从搅拌头后方向板厚底部流动,随后在螺纹搅拌针的作用下继续向板厚上方流动。根据材料流动范围,可将接头横截面划分为轴肩影响区和搅拌针影响区。中间金属的流动分为3个区域。配置2在轴肩影响区和搅拌针影响区的铝/镁截面都更为光滑和规则。由于材料流动的不充分,所以配置2在接头内部形成了“隧道”缺陷。

骨料特性对土基流动性回填材料流动度影响研究

粉土基可控性低强度材料(土基CLSM)是低碳绿色回填材料的一个发展方向。本研究以等粒径大小分别为0.5mm、1mm、2mm、5mm、10mm玻璃珠为理想骨料,探讨以粉土和水为胶凝剂配制土基CLSM的可行性,研究等粒径玻璃骨料粒径、含量与水固比对土基CLSM流动性的影响。结果表明,试验范围所有粒径理想骨料均可配置符合施工流动度要求的CLSM。所有骨料粒径的土基CLSM均表现出随水固比增加而流动度增大。良好流动度水固比与骨料含量有关,与骨料粒径无关。低掺量骨料流动度受土基流动性控制,良好流动度对应的水土比与纯土相同。高掺量骨料符合施工要求的流动度均出现泌水现象,对应的水土比与纯土出现泌水现象时的水土比一致。基于骨料堆积结构对试验结果进一步分析,发现优势骨料掺量为40%~50%。

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1000 mm/min,搅拌转速分别为1000、1200、1600、1700 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1000 mm/min、焊接转速1200 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1000 r/min增大到1700 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1200 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。

超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟

为了研究6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程中温度场与焊缝区域材料流动等行为,采用耦合欧拉-拉格朗日方法,考虑超声振动对工件材料属性的影响,建立了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊热机耦合数值模型,通过示踪粒子监测材料流动行为,开展超声辅助搅拌摩擦焊试验,并对模型准确性进行验证。研究结果表明:焊接过程中焊缝材料首先被压缩至工件底部,随后在搅拌头的作用下向工件上表面与搅拌头后方流动;工件表面温度场与焊缝区域的等效塑性应变场均呈不对称分布,塑性应变区域集中于焊缝两侧共约25 mm的区域内,区域温度均高于400℃;焊核区域的形状与尺寸及飞边的位置和尺寸的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了建立的热机耦合数值模型的正确性。

搅拌摩擦焊界面摩擦及材料流动行为仿真

采用计算流体力学(CFD)方法研究了6061铝合金搅拌摩擦焊过程中的界面摩擦行为与材料流动行为。通过在搅拌头-工件界面采用剪切力边界条件,实现了焊接过程中界面摩擦与材料流动的完全耦合分析。结果表明,搅拌头与工件间的界面摩擦行为呈现显著的非均匀特征:轴肩芯部及环形槽内呈近似黏着摩擦,轴肩外缘区域呈滑动摩擦;搅拌针侧面呈现不同程度的滑动状态,界面滑动比例随其到轴肩的距离增加而增加。摩擦界面附近存在厚度为0.66~4 mm的低粘度区。在低粘度区,工件上部材料流动速度可达0.17 m/s,应变率可达85.7 s^(-1);在工件下部材料流动速度可达0.017 m/s,应变速率可达11.7 s^(-1)。从材料流经低粘度区的流动路径来看,搅拌摩擦焊过程材料流动呈现多圈旋转及直通两种模式。仿真得到的温度、低粘度区形状及标记材料沉积位置均得到了实验结果的印证。

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。

螺纹对搅拌摩擦焊接材料流动和接头性能的影响

为了研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌针几何形状对焊接接头质量的影响,采用无螺纹锥形搅拌针和有螺纹锥形搅拌针的搅拌头开展了6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接,并对获得的焊接接头进行了拉伸测试,同时采用纯铜作为对接焊的标记材料,借助CT技术对焊缝中的标记材料进行了三维重建,分析了使用有、无螺纹锥形搅拌针时焊接过程中的塑性材料流动及其对焊接接头力学性能的影响。结果表明:由于螺纹对工件材料的强制驱动作用,螺纹可以有效提高焊接接头的抗拉强度,螺纹对接头抗拉强度的提高在低热输入时更为明显。使用有螺纹锥形搅拌针时,焊接接头的断后伸长率有了明显提高。螺纹可以有效提高标记材料分布的均匀性,对避免或减小焊接缺陷有非常重要的作用,有助于提高接头的力学性能。

平底无铆连接的材料流动行为及接头失效机理研究

平底无铆连接在轻量化结构中具有广阔应用前景。本研究旨在分析平底无铆连接过程中的材料流动行为和接头失效机理。在不同的成形载荷下,使用平底无铆连接工艺连接Al5052-H32铝合金板材。建立了平底无铆连接有限元模型,分析其材料流动规律。通过接头的金相观察以及硬度测试得到连接过程中材料的实际流动行为。采用扫描电子显微镜对材料力学性能测试后的失效接头断口进行观察,从而研究其失效机理。结果表明,在平底无铆连接过程中,材料流动最活跃的区域集中在冲头圆角处的上板区域。在剪切试验中,接头断裂的微观形貌表现为脆性-韧性混合断裂。在拉伸试验中,观察到接头断裂的微观形貌具有韧性断裂特征。

材料流动对连续驱动摩擦焊飞边形成的影响

在建立了45钢环形结构件连续驱动摩擦焊的二维热力耦合有限元模型的基础上,研究了焊接过程中的温度场与材料流动对飞边形成的影响规律.结果表明,在摩擦阶段,材料主要沿轴向流动,而径向流动基本上为0;在顶锻阶段,在大的轴向顶锻压力的挤压作用下,摩擦面边缘及其附近的材料主要沿径向向摩擦面外流动并形成飞边,且飞边的尺寸与弯曲程度随焊接时间的增加而增加.同时,增加旋转频率以及轴向顶锻压力会导致飞边尺寸与弯曲程度的增加;基于飞边形貌给出了45钢环节结构件连续驱动摩擦焊的合理焊接工艺参数.

搅拌头形状对回填式搅拌摩擦点焊过程中材料流动行为的影响

以LY12铝合金为研究对象,对常规搅拌头作用下的回填式搅拌摩擦点焊的材料流动规律进行数值模拟,并利用焊点的宏观形貌与显微组织进行试验验证;讨论不同搅拌头形状对材料流动行为的影响。结果表明:材料的高速流动区域主要位于套筒内外壁附近;流动速度值在外壁凹槽处出现最大值,且随着离套筒壁距离的增加而减小。流动规律的模拟结果由位于焊点中心的中间较宽、两端较窄的韧带与焊点内部不同区域晶粒的不同所证实。从减小焊点内韧带宽度的角度考虑,双凹槽搅拌头优于常规搅拌头、小槽宽搅拌头和大直径搅拌头。

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。

FGH96合金惯性摩擦焊过程材料流动行为的数值模拟

利用DEFORM软件建立了FGH96合金惯性摩擦焊的三维有限元分析模型,研究了焊接过程中的轴向缩短量变化及材料塑性流动行为的规律.数值模拟结果表明,随着焊接时间的增加,试件轴向缩短量的变化幅度呈现先增加后减小的趋势,这与摩擦界面上材料的流动速度变化规律相同;当焊接过程达到稳态后,摩擦界面两边界附近的材料主要向界面外流动,而中心区域的材料流动方向主要与试件旋转方向相同.

基于CEL方法搅拌摩擦焊材料流动及缺陷的模拟

基于欧拉-拉格朗日耦合(CEL)方法,建立一个新的搅拌摩擦焊多场耦合计算模型,模拟焊接过程中焊缝区材料的塑性流动与缺陷形成,并通过开展搅拌摩擦焊试验,分别从温度场、焊缝宏观形貌、焊缝截面塑性应变及焊接缺陷几方面对模拟结果的准确性进行验证。结果表明:模拟温度与实测数据吻合较好,最大误差为23.4℃;焊缝宏观形貌、焊缝截面塑性应变区的形状和尺寸均与实际焊缝吻合较好;模型能够较准确地预测焊缝内部孔洞缺陷的形成,且缺陷产生的位置与实际位置相吻合,缺陷尺寸的模拟值略大于其实测值。

搅拌摩擦焊接过程中搅拌头转速对材料流动的影响

使用有限元方法模拟了不同搅拌头转速下,搅拌摩擦焊接过程中Al 6061-T6材料的三维流动,以及材料流动与搅拌头转速的关系,结果表明,在搅拌摩擦焊接过程中,后退侧的材料流动较前进侧更为剧烈,并且随着搅拌头转速的增加,材料流动也会得到不同程度增强.搅拌头前方的材料在搅拌头的推动作用下向上涌起,被旋推到搅拌头后方并向下运动,该过程的周而复始是促使搅拌摩擦焊接顺利完成的主要原因.等效塑性应变等值线的形状与材料热影响区、热力影响区以及搅拌区的边界形状具有较好的对应关系,随着搅拌头转速的增加,等效塑性应变随之增加.

回填式搅拌摩擦点焊过程的材料流动规律模拟

利用流体力学软件ANSYS FLUENT模拟了回填式搅拌摩擦点焊过程的材料流动行为,着重分析了搅拌头旋转速度与回填速度对材料流动的影响规律并加以试验验证.结果表明,材料的流动速度随着到套筒内外壁距离的增加而减小,流动速度最大值出现在套筒端面的外壁处.在套筒内部,流动速度最小的材料位于焊点的中心处,此处的材料流动状态可通过增加旋转速度进行改善;从扩大焊点有效面积的角度来讲,增加搅拌头的旋转速度优于增加回填速度.上述规律得到了试验验证.

局部加载条件对筋板类构件成形材料流动影响的模拟研究

提取并设计了两种能够有效反映筋板类构件成形特点的T形结构。基于DE-FORM有限元软件,研究了局部加载条件(压下区宽度、过渡区宽度、外端约束)对成形过程中材料流动行为的影响规律。结果表明:随着压下区宽度的减小,材料变形行为从镦挤变形模式逐步向剪切变形模式转变;分流线位置随着压下区宽度的减小显著内移,而压下量对其影响不明显;过渡区宽度和外端约束对筋错移、过渡区鼓包和筋充填深度差影响显著。研究结果为筋板类构件成形过程合理局部加载工艺方案的确定提供指导。

异种铝合金搅拌摩擦焊材料流动行为研究

采用异种铝合金交替排列的方法,研究了搅拌摩擦焊接过程中材料的变形和流动行为。结果表明:采用垂直焊缝交替排列的焊缝表面形成了两套弧纹,其中粗大弧纹是由于在焊接方向上两种铝合金交替排列而产生的周期性变化所致;受焊速和转速的影响,材料在前进侧流动剧烈且混合均匀,而后退侧因材料流动较弱仍与母材保持连续分布状态;由于材料塑性变形程度的差异,在轴肩影响区、搅拌针影响区和母材之间形成了明显的分界面。