搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真:不同本构方程的仿真效果对比

本构方程是搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真模型的重要部分。针对6 mm铝合金6061-T6板材FSW过程开展热-力-流全耦合仿真分析。为分析本构方程的形式对仿真效果的影响,在模型中分别采用Chen-Liu本构模型、Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型,并对仿真结果进行对比分析。仿真结果表明,Chen-Liu模型计算得到的FSW温度场及流动场与实验结果的吻合程度均高于Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型。究其原因,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型预测的流变应力较高,使得材料流动困难,搅拌头与工件之间的界面状态主要为滑动摩擦。相比之下,Chen-Liu模型能够体现材料在温度升高时的迅速软化现象,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,材料的剪切流变应力低于搅拌头/工件界面的摩擦应力,因而在摩擦作用下工件发生塑性流动,这降低了搅拌头/工件之间的滑动摩擦速度,从而使得滑动摩擦产热减少,且其减少量大于工件发生塑性流动产生的额外热量,从而使得采用Chen-Liu模型预测得到的焊接温度更低。综合来看,FSW过程温度场与材料流动速度场受材料本构模型影响归因于FSW的热-力-流全耦合效应。

Al-Mg铝合金电子束焊接头组织及性能研究

采用电子束焊对3 mm厚的5A06铝合金进行了焊接,对焊接接头的焊缝形貌、显微组织和力学性能进行了测试分析。结果表明,电子束焊能量密度和焊接热输入对焊缝形貌、组织和性能产生重要影响;随着聚焦电流和焊接热输入增加,焊缝熔宽逐渐变大,热影响区逐渐变宽;电子束焊缝中心组织为均匀的细小等轴晶,没有明显的方向性,沿熔合线附近生成细等轴晶带;随着焊接热输入增加,焊缝中Mg元素含量减小,焊缝晶粒尺寸变大,导致焊接接头力学性能下降。

电子枪束流成形单元疑难故障的分析与处理

对真空电子束焊机的电子枪结构、工作原理及故障原因进行研究分析。结合焊机束流成形单元的3种疑难故障,介绍其维修工作的分析、排查过程及相应处理办法,为电子束设备操作、维保人员提供参考。

316LN不锈钢真空电子束焊接工艺试验

本文对30mm的316LN不锈钢进行了真空电子束焊试验。随后对典型工艺参数下焊缝组织在常温及77K低温下焊接接头的力学性能进行了研究。微观组织SEM观察的结果表明,316LN的电子束焊接接头均不同程度地出现了气孔。力学性能测试结果表明,77K下接头的强度系数为83%,室温下接头的强度系数则达87%。此外,显微维氏硬度测试结果表明,接头区硬度约为母材的80%。

接头性能差异对Zr-Sn-Nb合金电子束焊接头残余应力的影响

为了提升Zr-Sn-Nb合金电子束焊残余应力计算精度,对Zr-Sn-Nb合金及焊接接头热物性参数与力学性能进行测量,研究接头性能差异对电子束焊接头残余应力影响规律,建立了电子束焊复合热源模型,采用热弹塑性有限元方法对4.45mm厚Zr-Sn-Nb合金电子束焊应力进行数值模拟,并进行焊缝形貌验证.结果表明,考虑焊缝与母材属性差异时,试板上表面焊缝及热影响区区域的横向残余应力峰值高于二者属性相同时的模拟结果,峰值分别为319 MPa和296 MPa,进一步考虑热影响区属性与母材及焊缝差异对接头残余应力影响不大,峰值纵向应力为318 MPa.

K418B与1Cr11Ni2W2MoV电子束焊缝组织及性能分析

本文研究了K418B高温合金与1Cr11Ni2W2MoV不锈钢的电子束焊接,用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、X射线能谱分析、维氏硬度计、万能试验机等对焊接接头显微组织、显微硬度、抗拉强度和断口形貌进行分析。结果表明:用电子束焊接可以实现K418B合金与1Cr11Ni2W2MoV钢的有效连接;焊缝与母材交界处组织为具有一定方向性的树枝晶,焊缝中心为等轴晶,焊缝中心晶粒组织细小,尺寸为5~10μm;焊缝主要由FeCr_(0.29)Ni_(0.16)C_(0.06)固溶体、颗粒状Laves相、针状(Ti、Nb)C碳化物及少量γ'(Ni3Al)相组成;焊缝区的硬度总体低于母材区,平均硬度为280.06HV_(0.3);焊接接头抗拉强度和伸长率分别为716.3MPa和7.63%;焊接接头拉伸断口存在大量解理台阶。

焊接次数对TC18钛合金中厚板电子束焊接接头组织及性能的影响

采用电子束焊接工艺对21 mm厚TC18钛合金板进行了1次与2次(在1次焊接焊缝处以相同工艺再次焊接)焊接试验,研究了焊接次数对接头组织、拉伸性能和硬度的影响。结果表明:2种焊接接头均成形良好,无明显缺陷;相对于1次焊接,2次焊接接头热影响区中的α′相增多,晶粒尺寸增大;焊接接头的抗拉强度高于母材,且2次焊接接头强度更高,但断后伸长率下降,断裂方式均为韧性断裂;1次焊接与2次焊接接头焊缝区的平均显微硬度分别为380,395 HV,均高于母材区,热影响区的平均显微硬度分别为360,350 HV,增加焊接次数提高了焊缝区硬度,降低了热影响区硬度。

加速电压对电子束熔丝沉积304不锈钢组织与静力学性能的影响

电子束熔丝沉积(Electron Beam Fuse Deposition,EBFD)是近年来发展较为迅速的金属3D打印技术。采用EBFD技术针对304不锈钢材料进行打印,比较电子束熔丝沉积过程中不同加速电压对成形产品宏观形貌、致密度、显微组织和力学性能的影响。结果表明,加速电压为50 kV时,微观组织中奥氏体晶粒较少,加速电压增加至60 kV时,奥氏体晶界完全形成,并随着加速电压增加而持续生长;当加速电压为60 kV时,综合力学性能表现最佳,各向异性表现最弱,断口也表现为韧性断裂。

不同路径对电子束熔丝沉积304不锈钢组织与性能的影响

目的采用电子束熔丝沉积方法进行打印,以获取具有高抗拉强度与高伸长率的304不锈钢。方法以304不锈钢丝材为材料,当加速电压为60 kV、聚焦电流为430 mA、束流强度为22 mA、成形速度为250mm/min、送丝速度为1400mm/min时,在成形路径为“弓字形”和“交替弓字形”条件下打印不锈钢样品,在样品x、y、z3个方向上截取试样,采用金相、扫描电镜、透射电镜及拉伸试验等分析手段,对试样的微观组织和力学性能进行研究。结果在“弓字形”成形路径下,产品x方向试样的显微组织主要以等轴晶为主,而y方向试样的显微组织以相互平行的柱状晶为主;在“交替弓字形”成形路径下,产品微观组织主要是相互垂直的柱状晶,在z方向试样中出现了位错胞结构。在“交替弓字形”成形路径下,z方向试样具有最优的综合力学性能,其致密度为98.60%,抗拉强度为(1344±14)MPa,屈服强度为(701±7)MPa,断后伸长率为(25±0.4)%。结论在EBF打印304不锈钢样品中,选用“交替弓字形”成形路径能使不锈钢具有更高的致密度,可以提升抗拉强度和屈服强度。

3种典型航空齿轮钢电子束焊接头微观组织与力学性能

齿轮轴的高质量焊接是影响直升机功重比和服役性能的关键,论文探讨了电子束焊接过程对中国三代典型的齿轮钢材料(9310,16Cr3NiWMoVNbE和CSS-42L)的微观组织与力学性能的影响。结果表明,3种齿轮钢基体组织均为细小针状马氏体,而电子束焊缝则显著粗化,尤其9310焊缝晶粒长大明显,CSS-42L热影响区在电子束热作用下变化显著,从焊缝边界到母材可分为4种不同形貌的组织,呈现出极端不均匀的现象。9310和16Cr3NiWMoVNbE焊缝显微硬度明显高于基体,而CSS-42L焊缝显微硬度则显著低于基体;3种焊接接头显微硬度最低值均出现在热影响区,表明热影响区是整个结构最薄弱区域,力学性能测试结果也充分表明了这一结论。3种齿轮钢电子束焊接头拉伸断裂全部发生在热影响区,强度较基体稍有下降;断裂之前发生了明显的颈缩现象,塑性下降不显著。CSS-42L性能显著优于9310和16Cr3NiWMoVNbE,CSS-42L电子束焊接头强度也高出9310焊接接头强度50%,塑性更加显著,高出超过20%。研究结果为直升机传动系统制造提供科学依据。

铝-钢非对称双束电子束焊温度场数值模拟研究

为了研究铝-钢异种金属电子束焊温度分布情况,基于有限元MARC软件建立了6061铝合金/Q345钢异种金属非对称双束电子束搭接焊的数学模型,模拟了不同电子束能量分配率对铝-钢异种合金焊接的作用和焊接接头处的温度场分布。通过计算模拟得到了不同电子束能量分配率的温度场分布云图、试件表面特征点的热循环曲线及电子束能量分配率对熔宽的影响。结果表明,随着电子束能量分配率增大,焊缝横截面模拟得到的熔化宽度减小,双束最高温度之间的差值越来越大,其中能量分配率为6∶4时熔化宽度和双束温度场均匀,为最佳。

Q345R电子束焊接接头的组织与性能

研究了Q345R真空电子束焊接接头的力学性能及微观组织,并与焊条电弧焊对接接头进行了对比。研究显示,真空电子束焊接接头的焊缝硬度显著高于母材及焊条电弧焊的焊接接头,低温冲击韧性大幅降低,原因在于电子束焊接过程中产生的贝氏体组织硬度较高且韧性较差。采用高温回火热处理减少贝氏体组织,可显著改善Q345R电子束焊接接头冲击韧性和硬度。

电子束选区熔化增材制造金属材料研究进展

电子束选区熔化增材制造技术具有高能量密度、低反射率、高效率、高致密和低残余应力的特点,在高真空氛围下成形可以防止金属材料被氧化,特别适合活泼、难熔和脆性大的高性能复杂金属材料零件的精密成形制造。然而,电子束增材制造金属材料往往面临工艺参数难调控,成形零件存在孔隙、裂纹缺陷以及低致密度、元素蒸发、力学性能不足等问题。因此,开展电子束增材制造工艺-成形性-组织-性能的关系及其内在机制的研究具有重要意义。本文对采用电子束选区熔化成形技术在制备合金钢、钛及高温合金、铝合金和高熵合金的工艺参数调控及优化、微观组织演变和力学性能进行了综述,最后对电子束增材金属材料的热点和发展方向进行了展望。

钼合金与低合金钢电子束焊接的力学性能研究

对TZM钼合金与30CrMnSi低合金高强钢进行电子束焊接试验,分析了焊接接头微观组织、界面结构以及接头力学性能。结果表明,束流偏向钢侧0.2 mm时,形成熔钎焊接头形式。在钼侧熔合线附近产生的界面区根据组织形貌与相组成划分为反应层Ⅰ与反应层Ⅱ,结合能谱、线扫描分析和XRD分析表明反应层Ⅰ由连续分布的Fe2Mo相构成,会显著影响接头力学性能。拉伸结果表明,断裂沿反应层Ⅰ位置处扩展,呈现出脆性断裂特征,极限拉伸强度为209 MPa。显微硬度结果显示,沿水平方向接头不同特征区域硬度值差异较大,存在针状马氏体的钢侧热影响区显微硬度值最高,达到687 HV。

装夹方式对TC4薄板焊接过程的影响

为了揭示拘束条件对焊后残余应力及变形的影响规律,文中设计了多种装夹约束方案,并对TC4薄板进行了TIG对接焊模拟,结果表明:焊接温度场的等温线呈椭圆形,焊接热源前方温度梯度大,后方温度梯度小;焊接熔池呈泪滴状,薄板上表面温度较高,下表面温度低;焊接变形以厚度方向为主,薄板焊后有向焊缝收缩的趋势,薄板变形量主要集中在焊缝中心,易形成焊接角变形及挠度变形;焊后残余应力以纵向应力为主,在焊缝区残余应力表现为拉应力,远离焊缝区为压应力,残余应力主要集中在距焊缝5 mm区域内;将夹具布置在平行于焊缝方向、距焊缝较近的两侧区域,可让板内残余应力得以释放,从而减少焊接变形。上述结论可为TC4薄板的装夹约束提供一定的理论参考。

08X16H11M3与316H不锈钢GTAW焊接性分析

08X16H11M3与316H不锈钢通过提高C含量适用于高温服役环境,但C含量的提高给焊接带来热裂纹、晶间腐蚀、高温持久性能等问题,文中通过焊接参数优化解决了该焊接问题,并对焊接机理进行了分析与揭示。同时提出了焊接过程控制措施,满足了焊接接头的服役环境,提高了焊接接头性能稳定性,为后续该类材料的焊接提供一定的借鉴意义。

AF1410钢大厚度焊缝的真空电子束焊工艺研究及质量控制

现代飞机起落架高寿命、高可靠的特点促使了各种新材料特别是超高强度钢、钛合金等材料在起落架上的广泛应用,其中A100、300M、AF1410(16Co14Ni10Cr2Mo)等超高强度钢的应用尤为突出。此类超高强度钢在起落架系统中通常采用整体模锻件机械加工的方式,并且因为这些超高强度钢焊接性能较差,很少有采用焊接加工的。主要探讨的是AF1410(16Co14Ni10Cr2Mo)钢大厚度的焊接工艺研究及质量控制。

锆/镍电子束环形接头应力分布分析

纯锆力学性能、与铀燃料相容性、抗辐照性能良好,广泛应用于核工业中,纯镍具有良好的力学性能与抗腐蚀性能,常用作结构材料.锆/镍异种材料间热物理性能差异大,冶金相容性差,目前没有熔化焊接的研究.采用电子束对锆/镍环焊缝进行焊接,对中焊接时接头由(γ-Ni+Ni_(5)Zr)共晶+Ni_(5)Zr树枝晶复合结构组成,在残余应力的共同作用下导致焊接裂纹,接头强度仅有36.4 MPa.通过偏束焊接得到了无裂纹接头,偏镍0.5 mm焊接时接头强度提高到189 MPa.对不同焊接参数下接头应力场、温度场进行了有限元模拟研究,结合理论计算,揭示了由于环焊缝的结构特点,在焊接的起始阶段有再热现象,接头中具有较高的残余环向应力,偏锆焊接过程中热应力高,偏镍焊接有效降低了接头的残余应力与热应力,是裂纹消失的主要原因.

7 mm厚TC4钛合金电子束焊接头组织和性能

采用真空电子束焊对7 mm厚TC4钛合金板进行焊接,利用光学显微镜对焊接接头显微组织进行表征,分析不同区域显微组织,通过显微硬度、拉伸试验、冲击试验、弯曲试验对力学性能进行测试,借助扫描电镜对拉伸、冲击断口形貌进行观察,对焊接接头显微组织演变规律和性能进行研究。结果表明,真空电子束焊焊接接头成形良好,TC4钛合金母材组织由α相和β相组成,焊缝区组织由原始的β相转变而成α′相(针状马氏体),为粗大的柱状晶组织,热影响区组织由均匀且细小的针状马氏体α′相及原始的α相和β相组成;焊缝区显微硬度高于热影响区和母材区,从焊缝顶部到根部显微硬度逐渐下降;焊接接头抗拉强度高于母材抗拉强度;V形缺口在焊缝区的冲击试样具有较好的韧性。

热输入对Ti180钛合金电子束焊接接头组织和力学性能的影响

焊接热输入量会影响双相钛合金接头热影响区α/β相转变以及次生α′相的析出,进而改变接头力学性能。对7 mm厚Ti180钛合金电子束焊接接头组织分析发现,近熔合线热影响区和中部热影响区由“ghost”状初生α相、次生针状α′相和残余β相组成,近母材热影响区由初生α相、残余β相和少量次生α相组成。热输入量升高会导致初生α相比例减少,进而接头拉伸性能发生变化。当热输入由120 J/mm增加到177 J/mm时,接头的伸长率由16.7%降低到11.6%,抗拉强度均达母材强度(970 MPa);而焊缝区与热影响区的硬度始终高于母材硬度(341HV)。因此,可以通过改变焊接热输入量来控制热影响区微观组织,进而实现对Ti180钛合金接头力学性能的调控。