搅拌摩擦焊搅拌头研究进展

搅拌摩擦焊是一种先进的绿色低成本固相连接技术,可获得较传统熔焊技术更高质量且基本无缺陷的焊接效果,因而被广泛应用于航空航天、船舶和新能源汽车等领域。搅拌头作为实现搅拌摩擦焊接的关键工具,在焊接过程中承受高温高应力作用,易发生严重磨损、断裂破坏等现象,对搅拌头寿命和焊接质量均有不利影响。鉴于搅拌头在焊接中存在的磨损和破坏等问题,本文主要关注搅拌头的两个关键部分-搅拌针和轴肩,探讨影响搅拌头寿命和焊接接头质量的因素,从搅拌头材料选择、搅拌针几何形状以及轴肩几何形状等方面进行综述,并从新型材料选择、冷却辅助装置和表面涂层等方面提出提高搅拌头寿命以实现高质量搅拌摩擦焊接的一些方法。

搅拌头结构对铝/钢搅拌摩擦焊接头组织及性能的影响

为研究不同搅拌头结构对接头组织和力学性能的影响,对3 mm厚的6061铝合金与304不锈钢进行了搅拌摩擦焊对接试验。结果表明:随着搅拌头由圆柱搅拌头改进至圆锥+螺纹搅拌头,C型特征愈发明显;螺纹搅拌头促进了材料在水平方向和轴向的流动,得到的接头钢粒均匀且细小地分布在界面处;3种接头在焊缝区域的显微硬度变化规律相似,使用圆锥+螺纹的搅拌头时,焊缝区域的硬度更高;圆锥+螺纹搅拌头的接头平均抗拉强度为197.2 MPa,高于无螺纹搅拌头,断裂于铝侧热影响区处,断口表现为典型的韧性断裂模式。

搅拌头倾角对铝合金FSW过程传热传质的影响

铝合金等轻质合金由于具有较低的密度与较高的强度,在交通运载器具制造领域得到越来越广泛的应用。搅拌摩擦焊(FSW),作为低热输入的固相连接工艺,是其重要的成形工艺。其中,搅拌头倾角作为保障焊缝成型的重要参量,其对焊接过程的影响还缺乏认识。因此,本研究通过数值模拟的方式,在1.5°、2.5°与4°三组搅拌头倾角条件下,定量分析倾角对焊接过程传热传质的影响规律。在模型中考虑由倾角引起的不完全接触区域及其偏转,并采用非均匀轴向应力、滑移率和摩擦系数。发现当倾角从1.5°增加到4°时,搅拌头后方材料流动能力增强,材料向前进侧迁移的能力提升;界面热流密度增大,剪切层内粘性耗散产热率增大,焊接温度升高。

搅拌头材质对搅拌摩擦焊温度场的影响

测定焊接试板及搅拌头自身的温度分布曲线,分析搅拌头材质对搅拌摩擦焊温度场的影响。结果表明,采用不同材质搅拌头,焊接试板及搅拌头自身温度场分布规律相同。焊接试板温度及温度梯度随测温点远离焊缝中心逐渐降低,焊接方向测温点的峰值温度依次升高,前进侧温度高于后退侧。稳定焊接阶段,摩擦产热传递至搅拌头的热量与通过其散失的热量保持动态平衡,搅拌头温度波动很小。采用比热容小、热传导系数大的材料制作搅拌头焊接时,一方面可以向焊接试板输入更多的热量,另一方面其自身散失的热量也更多,焊接试板及搅拌头自身的温度均较高。因此,搅拌头材质的选择应综合评定其热物理特性,以获得摩擦偶之间更高的热效率。

搅拌摩擦焊接过程中铝合金与不同外形搅拌头间的热力作用

研究搅拌摩擦焊(FSW)过程中搅拌头形状对AA6061-T6工件与搅拌头间热力相互作用的影响。FSW加工过程中,采用定制的实验装置完成对特征点温度和搅拌头主轴扭矩的测量。同时对搅拌区(SZ)的组织和拉伸性能进行表征。结果表明,轴肩和搅拌针形状分别影响搅拌区的产热、插入阶段搅拌头扭矩和搅拌区截面的形状。轴肩上的凹槽和搅拌针上的螺纹使搅拌区中的晶粒更加细化,搅拌针上的切平面则导致不均匀的晶粒尺寸。采用圆柱形搅拌针的搅拌头可以得到0.2%屈服强度为173MPa的焊缝,而采用三平面螺纹形搅拌针的搅拌头可以得到伸长率32.0%的焊缝。

搅拌摩擦焊搅拌头的研究现状

搅拌摩擦焊是一种在铝、镁合金等轻合金焊接领域广泛应用的固相焊接技术,它能避免铝、镁合金等轻合金熔焊时所出现的许多问题。而作为搅拌摩擦焊的核心部件,搅拌头的形状设计和材料选择对于获得高质量的接头至关重要。本文以搅拌头为研究对象,重点阐述现阶段搅拌头形状设计和搅拌头材料选择。

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.

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。

伸缩式搅拌头厚铝板搅拌摩擦焊缺陷及其补焊工艺

采用伸缩式搅拌头对25 mm板厚2219-T6铝合金进行搅拌摩擦焊,在多道补焊时避免搅拌头轴肩的二次下压量造成的底部焊穿。对25 mm板厚2219-T6搅拌摩擦焊焊缝的微观组织、材料缺失型缺陷及弱连接型缺陷进行观察。结果表明:焊缝沿厚度方向分为轴肩影响区和搅拌针影响区,焊接参数的变化与这两区域中缺陷的产生存在一定关系,焊缝中的材料缺失型缺陷遵循一定的体积守恒关系。利用伸缩式搅拌头制备不同尺寸的焊缝根部未焊透缺陷,发现未焊透的深度与焊缝抗拉强度呈非线性关系。在统一的焊接参数规范下,调整搅拌针伸出长度进行多道焊,研究多道补焊工艺对焊缝组织性能的影响。

搅拌头受力模型及应用

针对搅拌摩擦焊实际过程,建立了搅拌针扎入阶段和稳定焊接阶段搅拌头的受力模型,通过与实测数据对比分析对模型进行了验证.由受力模型可知无论扎入阶段或稳定焊接阶段搅拌头的薄弱部位均为搅拌针根部,若设计不当易从搅拌针根部破坏.在此基础上,针对Ti-6Al-4V的搅拌摩擦焊,将模型用于指导搅拌头设计.结果表明,合理的搅拌头设计是实现钛合金搅拌摩擦焊的关键,在合适的焊接工艺参数下可以获得成形良好的焊缝.

搅拌摩擦焊搅拌头疲劳失效的模拟研究

利用ANSYS Workbench与ANSYS nCode Designlife分别建立了搅拌摩擦焊过程搅拌头的静力学与疲劳模型.结合搅拌摩擦焊过程中搅拌头受到的作用力载荷谱,以及推导出的搅拌头扭矩的计算公式,讨论了前进阻力、侧向力、下压力和扭矩对搅拌头疲劳寿命的影响.仿真结果表明,搅拌摩擦焊接过程中搅拌针的根部是主要的应力集中区,造成搅拌头疲劳失效主要发生在搅拌针根部.前进阻力是造成搅拌头疲劳失效的主要原因,侧向力及扭矩对疲劳失效的作用则比较小,下压力对于搅拌头的疲劳寿命的增加有利.

搅拌头倾角对FSW成形和接头力学性能的影响

研究了搅拌头倾角对FSW接头焊核区材料的塑性流动和接头力学性能的影响.结果表明,焊接速度一定,倾角θ小于1.5°时,在搅拌头轴肩下0.5 mm处出现隧道型缺陷,搅拌针下部的焊核金属发生沉积;随着倾角θ增大,焊核区的金属发生强烈地塑性变形和流动,缺陷逐渐消失,焊核区变宽.对焊接接头拉伸断口进行扫描电镜观察发现:当θ为2°时,在焊核区上表面位置出现'弱连接'现象.断口和力学性能综合分析表明,当θ为3.5°～4°时,焊核区宽度最大,LF5铝合金接头强度和延伸率分别达到最大值:305 MPa和16%.

搅拌摩擦焊用搅拌头研究现状与发展趋势

系统地总结和分析了国外搅拌摩擦焊用搅拌头的研究发展现状 ,并指出了每种搅拌头的设计思想、作用和优缺点。通过各种搅拌头的比较 ,指出了可自动变轴肩尺寸且可自动伸缩式搅拌头是最有发展前景的搅拌头技术 ,该技术解决了搅拌摩擦焊接技术早期应用中所遇到的一系列难题。同时指出了如何获得耐高温、高强度的搅拌头仍然是目前搅拌摩擦焊领域急需解决的难点。

搅拌摩擦焊过程中搅拌头温度场分布特征

试验测定了搅拌头温度分布曲线,分析了搅拌头温度场的分布特征,对比研究了不同材质搅拌头温度分布的特点.结果表明,摩擦焊初始阶段,搅拌区域金属的软化致使摩擦针与试板之间的摩擦产热量降低,在搅拌头轴肩与试板接触之前,搅拌头温度出现滞涨,并出现一定程度的回落;稳定焊接阶段,摩擦热传递至搅拌头的热量与通过其散失的热量处于动平衡状态,其温度波动较小;高速旋转搅拌头的表面与周围空气进行强烈的热交换,搅拌头轴线上的温度高于外缘的温度;采用比热容小、热导率高材质制作的搅拌头,焊接过程中其温度变化快,整体温度高.

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触面滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温度降低的主要原因,为了提高焊接温度和焊接质量,必须在使用小轴肩时采用较高的搅拌头旋转频率.

KR脱硫搅拌头用耐火浇注料的研制与应用

根据搅拌头破损的原因,选择普通电熔莫来石、高铝熟料为主要原料,Al-80水泥、α-A l2O3微粉、SiO2微粉为复合结合剂,耐热钢纤维为增强材料,确定骨料由8～5、5～3、3～1、≤1 mm四个级配组成。根据与现场使用的浇注料进行1 200℃水冷热震对比试验的结果进行配方优选,对优选后的浇注料进行相关理化性能检测和1 450℃3 h烧后试样的岩相分析,并进行了工业试验。结果表明：研制的搅拌头用浇注料的抗热震性优良,适合在热震苛刻的条件下使用;搅拌头平均使用寿命〉730次,每年搅拌头消耗量下降40%,每年减少搅拌头更换与维护非作业时间约550 h,提高产能6%。

搅拌头几何特征对搅拌摩擦焊试板温度场的影响

通过实验测量了不同类型搅拌头条件下铝合金焊接试板特征点的温度曲线,分析了搅拌头轴肩尺寸和搅拌针形状对焊接试板温度场的影响。结果表明,轴肩是搅拌摩擦焊接热输入的主要来源,搅拌头轴肩尺寸越大,产生的焊接热量越大,对应试板测温点的温度越高。搅拌头针形对焊接初始阶段试板的温度有明显影响,稳定焊接阶段,试板温度与搅拌针的几何特征及其作用下焊缝金属的塑性流动有关。采用圆台形搅拌针时焊接试板温度最高,采用圆柱形搅拌针时试板温度次之,采用螺纹形搅拌针时试板温度最低。通过对采用圆柱形搅拌针时垂直于焊缝方向上焊接试板温度数据的回归分析,得到了焊接试板宽度方向温度分布的二次解析式。

不同形状搅拌头异种铝合金搅拌摩擦焊接头的性能

利用圆柱螺纹和三棱柱螺纹搅拌头对2024-T3与7075-T6铝合金进行了搅拌摩擦对接焊,并对焊缝的宏观形貌、硬度以及接头的拉伸性能、断口形貌进行了分析。结果表明:搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为80mm·min-1时的焊缝中无隧道类缺陷,且三棱柱螺纹搅拌头使得两种材料融合得较好,搭配方式为AS(2024)-RS(7075)的接头抗拉强度达到了260MPa,断裂位置为2024-T3铝合金的TMAZ区;搅拌头转速为1 100r·min-1和焊接速度为120mm·min-1且搭配方式为AS(2024)-RS(7075)时,圆柱螺纹搅拌头对应焊缝的硬度最小,仅为107HV,且拉伸断口上的韧窝数量最少、深度最浅,抗拉强度也最低,为78MPa。

搅拌头形状对搅拌头受力和温度的影响

为优化设计搅拌头,分别选用不同形状的搅拌头进行搅拌摩擦焊接,研究搅拌头形状对搅拌头受力及温度的影响.实验采用三维测力系统和红外测温装置对搅拌头下压力和温度进行同步动态测量,得到搅拌头形状的影响规律.结果表明:凹陷型轴肩受力明显要高于平台型轴肩,锥形搅拌针受力大于柱形搅拌针;凹陷型轴肩产热优于平台型轴肩,锥形搅拌针产热优于柱形搅拌针;搅拌头形状对焊缝区形貌也有较大影响,凹陷型轴肩比平台型轴肩更有利于金属流动,焊缝区过渡平滑,锥形搅拌针比柱形搅拌针焊缝区平滑且前进侧和返回侧更对称.

基于网格重剖分的搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析

采用自适应网格方法,建立搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合热刚粘塑性有限元模型,模拟搅拌摩擦焊接过程中工件的温度场、变形场和搅拌头的受力。计算结果表明,温度场关于搅拌头的分布为非对称,焊接在前行侧的有效应变高于其返回侧;沿焊缝区域的温度场、应变场分布是由工件的上表面至底面,呈自上而下的顺序递减。对搅拌头反力曲线的研究表明,在相同的转速下,焊接速度越快,其反力越大;在相同的焊接速度下,转速越大,其反力越小;搅拌头的受力峰值产生在预热阶段结束和搅拌头开始移动的时刻,在给定搅拌头倾角的情况下,搅拌头的最高温度产生在搅拌头的后侧。