旋转速度对静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的影响

针对3 mm厚的2024-T4铝合金,采用ABAQUS软件建立静止轴肩搅拌摩擦焊热源三维模型,分析2024-T4铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊温度场和应力场的有限元模拟,研究了恒定150 mm/min焊接速度下,旋转速度从800 mm/min到1 200 mm/min对焊接接头残余应力的影响。结果表明:常规搅拌摩擦焊焊缝横截面高温区域呈现碗状分布,而静止轴肩搅拌摩擦焊呈类似于搅拌针形貌分布。相比于常规搅拌摩擦焊,静止轴肩可以获得更窄的搅拌区宽度,并且有效降低焊缝中心的峰值温度。焊后垂直于焊缝区域的纵向残余应力呈现“M”形分布,随着搅拌头旋转速度的增大,两种工艺下的焊后残余应力均增大。此外,静止轴肩在焊接过程中对焊缝区域持续碾压,使得焊后试样的纵向残余应力峰值相比较于传统搅拌摩擦焊能降低45.6%。

搅拌头旋转频率对静止轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能的影响规律

利用自行设计的静止轴肩装置对6005A-T6铝合金进行了静止轴肩搅拌摩擦焊的试验研究.结果表明,当焊接速度为200 mm/min时,表面光滑且无缺陷的焊接接头抗拉强度与断后伸长率随着搅拌头旋转频率的增加呈现先增加后减小的趋势;焊接接头的正背弯180°无裂纹;当旋转频率为1 800 r/min时,抗拉强度达到最大值234MPa,接头强度系数达到79%.静止轴肩搅拌摩擦焊接头的显微维氏硬度呈W形分布,最小值出现在前进侧的热影响区;接头的软化程度随搅拌头旋转频率的增加而增加.焊接接头的断裂位置位于热力影响区,断口呈韧性断裂.

静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展

综述了静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展,主要涉及静止轴肩搅拌摩擦焊的基本原理以及高转速、常规转速和角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊等内容.高旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊在降低焊接载荷的同时,能够减小、甚至消除飞边和孔洞缺陷.常规旋转频率的静止轴肩搅拌摩擦焊可获得沿板厚方向更均匀的焊缝组织,适合于热导率差的钛合金的焊接.设计与两侧板面完全贴合的静止轴肩,以角焊缝的形式实现T形接头的焊接,拓宽了搅拌摩擦焊的应用范围.无论是高旋转频率、常规旋转频率还是角焊缝的静止轴肩搅拌摩擦焊,都存在搅拌头的磨损和过热问题,尚需开展深入、系统的研究.

6061-T6铝合金的静止轴肩搅拌摩擦焊工艺及组织性能

采用自主研制的静止轴肩搅拌摩擦焊工具系统成功获得了6061-T6铝合金的对接接头.对该接头的焊缝成形、显微组织、硬度分布以及拉伸性能分别进行了试验研究.结果表明,SSFSW工艺所得6061-T6铝合金接头具有非常美观的焊缝成形,与常规的FSW工艺相比,几乎没有出现焊缝减薄的现象;焊缝组织分区也有明显的不同,TMAZ非常窄,只有几百微米;接头的硬度呈"W"形分布;在转速1 000 r/min,焊速为200 mm/min时,接头的抗拉强度和断后伸长率达到最大,分别为母材的71.5%和44.6%;拉伸试样均断裂在热影响区,它是接头发生断裂的最薄弱区域.

不同轴肩组合对双轴肩搅拌摩擦焊接质量的影响

为了揭示不同轴肩端面对双轴肩搅拌摩擦焊接质量的影响,采用凹/凸四种组合的轴肩对8 mm厚的6061铝合金进行焊接试验,结合焊接转矩、输入功率、前导区温度检测手段,详细分析了不同组合焊缝表面成形、横截面宏观形貌、接头组织形态及力学性能。研究结果表明,在四种轴肩组合中,上凹下凹、上凹下凸的组合能产生纹路细腻、成形美观的焊缝,试样拉伸断口形貌呈典型的韧性断裂;凹/凹组合和凸/凸组合的焊缝关于厚度中心对称,但凹/凸组合的焊缝不再关于厚度中心对称;凹肩表面成形效果强于凸肩,凹肩侧表层焊缝的宽度明显大于凸肩侧对应宽度,且凸肩产生表面沟槽缺陷倾向大于飞边倾向;搅拌区凸肩一侧硬度明显高于凹肩一侧硬度,而在两侧的热影响区,凸肩一侧硬度均低于凹肩一侧硬度。

静止轴肩搅拌摩擦焊接6005铝合金的力学和疲劳性能

利用静止轴肩搅拌摩擦焊接装置对4.5 mm 6005铝合金进行了研究,为满足工程需求,焊接速度设为1 000 mm/min.结果表明,静轴肩搅拌摩擦焊接头随转速的增加,抗拉强度先升高后降低,当转速为2 100 r/min时最高,为232 MPa,可达母材的80%;各参数接头正弯和背弯180°均无裂纹.在应力循环频率70 Hz、正弦波形、应力比R为0.1的条件下,对2 100 r/min和1 000 mm/min参数的接头进行轴向高周疲劳测试,获得接头的S-N曲线和疲劳极限,在(1-a)置信度90%,失效概率P=5%条件下,S-N曲线的下极限为105 MPa,疲劳断裂主要位于接头的热影响区,疲劳断口分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区三个区域.

TC4钛合金静止轴肩和传统搅拌摩擦焊的温度场对比

基于有限元软件ABAQUS对6mm厚的TC4钛合金传统及静止轴肩搅拌摩擦焊温度场进行了有限元模拟。结果表明,对比传统搅拌摩擦焊接,静止轴肩搅拌摩擦焊接具有较小的高温区,前进方向上具有较大的温度梯度,厚度方向上呈现柱状椭球形分布,上、下表面温度峰值差异较小,具有重叠性较好的热循环曲线。

2219铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接头组织及性能

文摘采用静止轴肩搅拌摩擦焊的方法获得了2219C10S铝合金焊接接头,研究了焊接接头典型的宏观、微观组织特征、焊接工艺参数对焊缝成形特征及焊接接头力学性能的影响规律。结果表明:相对常规搅拌摩擦焊,由于静止轴肩式搅拌头的结构特点,焊接过程中可有效避免飞边和焊缝内部缺陷;随着焊速的增加,接头焊核由"碗状"变为"腰鼓"状,体积也逐渐减小,还出现了轴肩影响区这一特殊组织特征;焊接接头的显微硬度分布呈现出独特的"∪"形,焊核区的显微硬度最低;当焊接速度≤250 mm/min,随着焊接速度的增加,接头的拉伸性能逐渐增加;当焊接速度增加至300 mm/min时,由于在焊接接头中出现了沟槽缺陷,拉伸性能急剧下降。

铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力超声波法测量

开发了静止轴肩搅拌摩擦焊装置,在焊接过程中搅拌装置外部轴肩不旋转,内部搅拌针旋转,获得了无弧纹的搅拌摩擦焊缝表面。焊接了6系列铝合金挤压型材和7系列平板对接定轴肩搅拌摩擦焊试件,使用超声波焊接残余应力测量方法对静止轴肩搅拌摩擦焊残余应力场进行了测量。测量结果表明搅拌摩擦焊残余应力最大值可达母材抗拉强度的66%左右,应力峰值不低于弧焊,纵向残余应力最大值产生在焊缝热影响区边界附近,横向残余应力值低于纵向残余应力。

铝合金厚板静止轴肩搅拌摩擦焊接头组织及性能

采用8.5 mm厚度2A14-T4铝合金和自主研制搅拌工具进行静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welding,SSFSW)实验,探讨焊接工艺参数对接头组织和力学性能的影响规律。结果表明:只有在低转速工艺参数范围内(转速ω=400-600 r/min与焊接速率v=60-120 mm/min)可获得焊缝表面光滑、无缺陷厚板铝合金SSFSW焊接接头。SSFSW焊缝区主要由焊核区(NZ)组成,周围热力影响区(TMAZ)及热影响区(HAZ)宽度明显减小,焊核区与搅拌针形状类似且由两种不同尺寸细小等轴晶构成,前进侧NZ晶粒比后退侧NZ更为细小。接头显微硬度呈“W”状分布,NZ硬度值可达到母材硬度80%-90%,TMAZ与HAZ交界处存在软化区,硬度最低为母材硬度72%左右。在给定ω=500 r/min,v=140 mm/min焊接参数下,SSFSW接头抗拉强度可达到母材的88%,断裂位置多位于后退侧TMAZ与HAZ交界处软化区,具有韧性断裂特征。

铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊组织非均质性对接头力学性能的影响

对6061-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊(stationary shoulder friction stir welded,SSFSW)接头组织非均质性与力学性能的相互影响进行了定量分析.结果表明,SSFSW焊接接头存在明显的组织非均质性,表现在晶粒尺寸及形状、沉淀相种类及分布形态不同,其中沉淀相析出不同是影响力学性能差异的主要因素.由于组织非均质性导致紧邻焊核区的热影响区软化严重,其硬度和抗拉强度在接头区域最低,分别为母材的60%和72%,为接头最薄弱部分.由于沉淀强化和晶粒细化效应,焊核区的强度与塑性最好,而抗拉强度和断后伸长率分别达到母材的88%和215%.随着与焊核区距离的增加,热影响区抗拉强度和屈服强度逐渐增加,断后伸长率不断降低.

厚板铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊热过程及受力状态数值分析

基于Deform–3D软件建立了12mm板厚6061–T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接(Stationary Shoulder Friction Stir Welding,SSFSW)过程热力耦合数值模型,探讨了焊接工艺对SSFSW温度场、热循环及受力状态的影响规律。计算结果表明:焊接转速增加50%将引起焊核最高温度增加21.6%以上;焊接速度增加50%分别导致高温停留时间和冷却时间降低50%和60%以上;对给定转速1000~1500r/min及焊接速度100~150mm/min范围,静止轴肩的轴向力为28.2~24.3kN,前进阻力为17.4~15.3kN,焊接转速增加50%其轴向压力降低13.8%,焊接速度增加50%其前进阻力增加13.7%;搅拌针扭矩最高值在27.3~25N·m范围。上述数值模拟结果为厚板铝合金SSFSW搅拌工具设计及工艺优化提供重要理论依据。

铝合金与聚合物静止轴肩辅助搅拌摩擦搭接焊接工艺研究

以PA6尼龙聚合物为上板.6061-T6铝合金为下板,采用静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术进行了6061-T6铝合金与PA6尼龙聚合物的搭接,并与常规的搅拌摩擦焊工艺进行了对比分析。结果表明:与常规的搅拌摩擦焊工艺相比,静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接技术获得的接头表面光滑,没有出现明显的弧纹及孔洞缺陷。常规搅拌摩擦焊工艺下因为材料溢出到焊缝表面,在焊缝内部产生明显的孔洞缺陷,而静止轴肩辅助搅拌摩擦焊工艺下接头内部成形良好,没有发现明显的孔洞缺陷。这是因为静止轴肩具有吸热、随焊碾压及密封作用。静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接头的剪切拉伸性能更高。

转速对Al/Mg异种合金超声-静止轴肩辅助搅拌摩擦焊接头的影响

采用超声-静止轴肩辅助搅拌摩擦焊技术对3 mm厚6061-T6铝合金和AZ31B镁合金进行焊接,并研究转速对接头成形、显微组织和拉伸性能的影响。结果表明,焊核中存在大量铝/镁合金混合后形成的夹层状组织,随着转速的升高,夹层组织先细化后又出现增大趋势。铝/镁界面形成的复杂互锁结构可延长界面连接长度,界面互锁程度随转速增大而提高。接头拉伸强度随着转速的增大呈现先上升后下降的趋势,并在1000 r/min转速下达到最大值131 MPa。

静止轴肩搅拌摩擦焊T型接头组织及力学行为

介绍了静止轴肩搅拌摩擦焊（SSFSW）原理,通过优化焊接工艺,实现了T型接头搅拌摩擦焊.采用金相、拉伸和探伤试验对接头进行性能检测.试验表明,当焊接旋转速度为1 400 ～2 200 r/min、焊接速度30～50 mm/min时,能够获得表面成形美观的焊接接头;着色和X射线无损检测表明,内部无明显缺陷;金相试验表明,与常规FSW相比,SSFSW具有典型的FSW微观结构组织形貌,但焊核区洋葱环呈扁平状;拉伸试验表明,SSFSW接头系数能达到母材的65％以上,断裂发生在焊接热影响区.

2219-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊接工艺及接头组织性能

自主研制静止轴肩搅拌摩擦焊(SSFSW)焊具,并且成功应用于高强铝合金2219-T6的焊接。当静止轴肩相对深压与搅拌针根部的小轴肩形成"内浅外深"的状态时,更能充分发挥SSFSW的作用。对接头焊缝成形、显微组织、显微硬度及拉伸性能分别开展了试验研究。结果表明:SSFSW消除了焊缝减薄问题,以搅拌针起主要的搅拌作用有效地减小了焊缝宽度在板厚方向上的差异,减小了热机影响区和热影响区的范围。在恒定焊接转速800转/min的条件下,当焊接速度增大到300mm/min时,接头抗拉强度达到354MPa(母材的79.6%),拉伸断裂发生在焊缝后退侧的热机影响区边缘。

焊接工艺参数对6061-T6铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊组织及力学性能的影响

采用不同的压入量、旋转速度和焊接速度对6061-T6铝合金进行静止轴肩搅拌摩擦焊,研究了焊接工艺参数对接头组织及力学性能的影响。结果表明,所有试验参数下,焊缝表面光滑、几乎不产生飞边,焊接工艺参数能够影响材料的流动性,进而对接头成形、组织和力学性能产生影响。焊接工艺参数显著影响焊核区形态,当焊核区为球状,焊缝显微组织硬度呈W形对称分布;而当焊核区为碗状时,前进侧显微硬度略高于后退侧。在最优参数下,即压入量为0.08 mm、旋转速度为1600 r/min和焊接速度为500 mm/min,接头抗拉强度为224 MPa,达到母材的75.6%。

6061-T6铝合金T形接头静止轴肩搅拌摩擦焊工艺及接头断裂行为研究

研究了旋转速度和焊接速度对6061-T6铝合金90°T形接头成形、显微组织和力学性能的影响,通过静止轴肩搅拌摩擦焊得到了表面成形良好和内部无缺陷的6061-T6铝合金T形接头。旋转速度和焊接速度对6061-T6板筋方向抗拉强度影响均不大,两组试验抗拉强度最大值与最小值之间仅相差18MPa。在所选旋转速度范围内,接头的平均抗拉强度为母材的72.7%-77.7%;在所选焊接速度范围内,平均抗拉强度为母材的77.4%-83.4%。拉伸断裂基本上都发生在筋板上,断裂方式为韧性断裂。底板硬度分布表现为焊核硬度波动较大,最大值与最小值之间相差约37HV,筋板中焊核硬度随与底板外表面距离的增加呈缓慢上升的趋势,热影响区硬度随与底板外表面距离的增加而逐渐升高,直至恢复到母材硬度水平。

5A06铝合金静止轴肩搅拌摩擦焊T形接头组织与性能

采用静止轴肩搅拌摩擦焊方法实现了10 mm厚5A06铝合金T形接头的焊接.通过低主轴转速匹配高焊接速度与高主轴转速匹配低焊接速度两组不同的焊接参数,结合拉伸试验、宏观与微观金相分析、电子背散射衍射(electron backscattered diffraction,EBSD)分析与扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)断口分析,研究了热输入对焊接接头力学性能与组织的影响.结果表明,在两组焊接参数下均可获得无孔洞缺陷的全焊透T形接头,焊缝表面光滑平整,几乎无减薄发生;热输入不同会改变搅拌针与周围材料的摩擦形式,引起焊缝出现弱结合缺陷,并影响接头抗拉强度;在高主轴转速匹配低焊接速度时,焊缝中心重叠区顶部易产生弱结合缺陷,导致接头抗拉强度较低,为198 MPa,拉伸试样断裂在筋板.在低主轴转速匹配高焊接速度时,焊缝无缺陷存在,接头抗拉强度为287 MPa,拉伸试样断裂在底板.

静止轴肩搅拌摩擦搭接接头的成形与冲击性能研究

以2024-T4铝合金为研究对象,研究了静止轴肩搅拌摩擦搭接焊接头的成形和冲击性能。结果表明,利用静止轴肩可获得表面无弧纹、小飞边、内部钩状缺陷和冷搭接高度较低的搭接接头。前进侧搅拌针作用区边缘的冲击韧性最低,焊核区次之,后退侧搅拌针作用区边缘与两侧的轴肩作用区边缘具有较高的冲击韧性。