Al/Ti异质合金回填式搅拌摩擦点焊数值模拟

采用耦合的欧拉-拉格朗日(CEL)算法对2 mm厚的5A02铝合金/TC4钛合金板异质金属回填式搅拌摩擦点焊过程展开模拟研究,分析了旋转速度和停留时间对焊点成型过程中温度场、等效塑性应变场以及材料流动的影响。结果表明,在扎入初期,热累积作用明显,升温速率相对较快,随焊接过程进行,产热会由摩擦产热转变为摩擦和塑性变形共同产热,升温速率放缓。当搅拌头转速为2000 r/min、扎入速度为1 mm/s、扎入深度为1.9 mm、回填速度为1mm/s、停留时间为0 s时,铝合金焊核区温度峰值达到558℃,等效塑性应变峰值达到120。在模拟的工艺区间内,焊核区峰值温度与旋转速度呈正相关,停留时间对温度的影响并不明显。

回填式搅拌摩擦点焊工具的温度与扭矩变化规律研究

基于DEFORM-3D软件,建立了异种材料回填式搅拌摩擦点焊过程的热机耦合模型,对焊具开展了旋转速度、下扎速度及深度温度、扭矩分析,得到了轴肩与搅拌针在焊接过程的温度、扭矩的演化规律。通过对比6种典型工艺参数发现,转速的升高、下扎速度的降低与下扎深度的增加均会导致焊具的温度升高。下扎速度对焊具峰值扭矩的影响较小,转速的降低与下扎深度的增加会导致焊具扭矩的增大。

铝合金回填式搅拌摩擦点焊研究现状

回填式搅拌摩擦点焊作为一种先进的固相焊接技术,能够有效避免液相焊接的固有缺陷,同时消除搅拌摩擦点焊带来的匙孔,因此,在铝合金、镁合金等轻质金属点连接领域有着无可替代的优势,受到了国内外学者的广泛关注。经过多年的发展,回填式搅拌摩擦点焊已经不再局限于早期的套筒下扎模式,而是出现了多种不同的类型和模式,如额外填充式搅拌摩擦点焊、两阶段回填式搅拌摩擦点焊等。本文综述了近年来回填式搅拌摩擦点焊在铝合金焊接领域的研究现状,涉及点焊过程的基本工作原理,焊接工艺及接头组织性能研究,以及焊接接头的常见失效行为分析。本文对工程中回填式搅拌摩擦点焊接头性能的优化、工艺参数的合理选择提供一定的借鉴作用。

铝-钢异种材料回填式搅拌摩擦点焊接头界面连接机制与力学性能研究

以5754铝合金与DC04钢为研究对象,进行了铝板在上的回填式搅拌摩擦点焊试验,研究了搅拌套下扎深度对铝-钢界面微观组织特征与接头力学性能的影响。结果表明,当搅拌套未扎入下层钢板时,冶金结合为铝-钢界面的主要连接机制。当搅拌套扎入下层钢板时,铝-钢界面同时发生机械咬合与冶金结合,其中,机械咬合主要发生在搅拌套作用区。通过工艺优化得出最优工艺参数为:转速2000 r/min、焊速0.5 mm/s,搅拌套下扎深度1.45 mm,此时接头最大拉剪失效载荷达5105 N。

6082铝合金回填式搅拌摩擦点焊对接接头的组织和性能研究

将回填式搅拌摩擦点焊首次应用到铝合金的对接过程中。本文研究了搅拌头转速对2 mm厚的6082铝合金对接接头显微组织和性能的影响。结果表明,使用1.6 mm的搅拌头下压量可有效避免接头底部未焊合。但当转速为1950 r/min时,搅拌套筒回抽路径的外沿形成热裂纹。焊核区晶粒明显细化,当转速为1350 r/min时,焊核区平均晶粒尺寸由母材的30.84μm减小至8.43μm;热机影响区和焊核区的织构也发生明显变化。焊缝的硬度整体上高于母材的,这与焊缝中较小的晶粒有关。当转速为1650 r/min时接头的强度最高,达到190 MPa;当转速为1950 r/min时,因热机影响区/焊核区截面的裂纹缺陷影响,接头的抗拉强度仅为121 MPa。

基于内聚力模型的无针搅拌摩擦点焊-胶接混合连接接头拉剪性能研究

针对铝合金薄板的连接,提出了一种无针搅拌摩擦点焊-胶接混合连接工艺。基于内聚力模型,利用有限元软件ABAQUS模拟无针搅拌摩擦点焊-胶接混合接头的拉剪失效过程,研究了不同焊点排布方式及胶粘剂种类对混合接头力学性能的影响。结果表明,焊点排布方式对混合接头的拉剪载荷没有明显影响,但会影响混合接头内的裂纹扩展行为;使用柔性胶2015混合接头的拉剪峰值载荷和破坏位移均大于脆性胶AV138混合接头。该混合连接工艺为铝合金薄板提供了一种高强度、低变形的连接方案,在汽车轻量化领域具有应用前景。

2024铝合金电阻点焊与回填式搅拌摩擦点焊接头组织和性能

为了研究铝合金材料回填式搅拌摩擦点焊搭接接头与电阻点焊搭接接头的性能差异,采用2024铝合金材料分别开展了回填式搅拌摩擦点焊以及电阻点焊焊接试验。针对采用不同焊接方法获得的焊接接头的微观组织结构、显微硬度以及十字剥离强度进行了分析与对比研究。结果表明,2024铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头相对于电阻点焊接头,焊点形貌更加美观,可获得小尺寸的等轴细晶组织,不存在柱状晶组织结构,焊接接头力学性能明显提高,体现出了该焊接方法的技术优越性。

Al/Mg搅拌摩擦点焊–钎焊接头的微观组织与拉伸剪切性能研究

采用搅拌摩擦点焊–钎焊工艺进行2A14铝合金和AZ31镁合金的连接,使用扫描电子显微镜(Scanning electron microscope,SEM)、能量色散谱(Energy dispersive spectroscopy,EDS)和X射线衍射仪(X–ray diffraction,XRD)研究不同参数下接头的微观组织、化学成分及物相组成,采用电子万能试验机对接头进行拉伸剪切性能测试。研究结果表明,搅拌区主要由Al–Mg系金属间化合物和少量MgZn相、MgZn_(2)相组成;热力影响区主要由富Zn固溶体和Mg_(7)Zn_(3)相组成;热影响区靠近铝合金处的锌钎料没有与其他元素发生反应,靠近镁合金处的锌钎料与镁元素发生反应,生成了Mg–Zn系金属间化合物。当轴肩下压量为0.5 mm,搅拌头旋转速度为950 r/min时,接头的拉伸剪切载荷达到最大值7.6 kN。

汽车用铝钢无匙孔搅拌摩擦点焊接头组织及界面特征研究

随着轻量化技术的发展,镀锌钢板与铝合金等异种金属连接在现代汽车工业中的应用越来越多,回抽式无匙孔搅拌摩擦点焊具有热输入低、焊缝晶粒细小、接头力学性能高等优点,在铝合金等轻金属焊接领域具有很大的优势。本工作使用回抽式搅拌摩擦点焊技术,成功实现了0.7 mm厚的镀锌钢板与2 mm厚的铝合金板的无匙孔搅拌摩擦点焊连接。在不同的焊接转速下,对铝钢异种金属进行无匙孔搅拌摩擦点焊实验研究,分析了无匙孔搅拌摩擦点焊接头的剪切性能、断口形貌、各区微观组织、界面区特征及连接机理。研究结果表明,转速为1 200 r/min、压入量为0.2 mm、焊接时间为15 s时焊接接头最佳,具有最好的力学拉伸性能,断裂位置为热机影响区;通过扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)对接头的微观形貌以及断口形貌进行观察分析发现,在搅拌区接头界面形成了约6μm厚的金属间化合物,为AlFe_(3)、Al_(13)Fe_(4)、AlFe;各位置处金属间化物的形貌与厚度不同,断裂方式为混合断裂机制,界面处的连接为机械结合和冶金结合两种接合方式。

工艺参数对异种纯铝镀层铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头组织性能的影响研究

为研究表面有纯铝镀层的2A12和2219异种铝合金回填式搅拌摩擦点焊工艺参数与接头组织性能的关系,基于响应曲面法建立了搅拌头转速、套筒下压量、下压速度与接头拉剪强度的数学模型,并对模型进行方差分析。结果显示,套筒下压量是影响接头强度的显著因素。接头组织中,纯铝镀层主要在残余结合线处聚集,在退出线位置也有垂直分布。而工艺参数会改变残余结合线的形貌,影响接头性能和断裂模式。工艺参数会改变残余结合线的形貌,进而影响接头性能和断裂模式。由于聚集在残余结合线处的纯铝强度较低,接头主要沿残余结合线发生界面断裂。在转速2250 r/min、下压量1 mm、下压速度0.5 mm/s参数条件下,退出线区域的强度低于界面处的,接头发生纽扣型断裂,但是并未获得最高强度。

铝/钢异种金属钎焊与固相焊新技术:搅拌摩擦钎焊(FSB)与嵌入式搅拌摩擦点焊(EFSSW)

为解决Al与异种高强金属材料焊接过程中的工具磨损问题,西安交通大学焊接研究所特种焊室先后开发了两种新型焊接工艺——搅拌摩擦钎焊（FSB）与嵌入式搅拌摩擦点焊（EFSSW）,并均已申报国家专利。两种技术均采用无针搅拌头,既避免了针的磨损,又获得了无匙孔的光滑外观;同时所得接头均断裂于Al母材内而非原始待焊接面。由此证明了两种新技术分别相对于传统搅拌摩擦焊与搅拌摩擦点焊的优越性。其中搅拌摩擦钎焊不仅成功用于Al/steel焊接,还可采用多道搅拌摩擦钎焊技术制备Al/steel双金属复合板材。本文简要介绍FSB与EFSSW的思路、优点与机理方面的初步研究结果。

车身用铝薄板搅拌摩擦点焊接头的服役性能研究

结构中的焊点往往同时承受轴向和切向载荷的作用,而焊点的单向力学性能不能反映焊点的真实服役状态.为此,对比了最优参数下的传统搅拌摩擦焊接(Conventional Friction Stir Spot Welding,CFSSW),无针搅拌摩擦焊接(Probeless Friction Stir Spot Welding,PFSSW)以及扫略搅拌摩擦焊接(Swept Friction Stir Spot Welding,SFSSW)接头的拉剪和剥离力学性能.针对某小型全铝电动汽车,提出了焊点多工况服役性能的评价指标,并对3种焊点的服役性能进行了比较.结果表明,最优参数下的SFSSW接头在车身侧围与顶横梁连接区域的服役性能相较于CFSSW和PFSSW分别提高了28.97%和48.86%.在车身结构的前纵梁连接部分,3种焊点均表现出最高的焊点服役性能.地板横梁与地板纵梁的连接部分表现出最低的焊点服役性能.由此可知,应适当增加焊点的数量以保证结构的安全性.

7050/2524铝合金回填式搅拌摩擦点焊的工艺优化

采用Box-Behnken design(BBD)响应面法,分析了焊接工艺参数(转速、扎入深度、套筒运动速率)对7050/2524铝合金回填式搅拌点焊(RFSSW)接头拉剪载荷的影响规律,建立了工艺参数与拉剪载荷的回归方程。结果表明,随着转速、扎入深度以及套筒运动速率的增加,拉剪载荷均呈现先上升后下降的趋势。获得的最优工艺参数为转速1493 r/min,扎入深度3 mm,套筒运动速率1.0 mm/s。

2024铝合金孔洞缺陷搅拌摩擦点焊修复数值 模拟与实验研究

目的薄壁构件在服役过程中会产生孔洞缺陷,传统修复方法存在连接不牢靠、周期长等问题,针对以上情况,研究了搅拌摩擦焊点焊修复材料的流动对修复接头性能的影响规律。方法在修复焊速为20 mm/min,修复转速分别为800、1200、1600 r/min的条件下对2024铝合金孔洞缺陷进行搅拌摩擦点焊修复,分析不同修复转速下修复接头的微观组织和力学性能。此外,使用ABAQUS有限元软件模拟修复孔洞缺陷过程中材料流动的具体规律。结果在修复焊速为20 mm/min、修复转速为1600 r/min条件下,修复接头表面光滑平整,无任何缺陷存在,材料内部发生了显著的晶粒细化,从母材区到焊核区,平均晶粒尺寸由20.5μm降低至2.7μm,降低幅度为86.8%。数值模拟仿真结果表明,在1600 r/min的高修复转速下,材料流动的速度梯度较大,热输入也较高,更容易获得性能优良的修复接头。结论在修复焊速为20 mm/min的条件下,当修复转速从800 r/min增加到1600 r/min时,修复的热输入逐渐提高,材料的流动性增强,逐渐修复了孔洞缺陷,在修复转速为1600 r/min时获得了优质的修复接头,在焊核区发生了显著的晶粒细化现象,修复接头的抗拉强度达到了母材抗拉强度的81.3%,屈服强度几乎等同于母材的屈服强度。

2A12-T4/7A09-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头性能研究

采用机器人搅拌摩擦点焊设备对1.2 mm厚2A12-T4铝合金与4 mm厚7A09-T6铝合金板材进行回填式搅拌摩擦点焊试验,并对焊后试样进行X光检测、力学抗拉力检测,对焊点内部组织进行光学显微镜、扫描电镜观测。试验结果表明:当下扎/回填速率为30 mm/min时,试样抗拉力较低,当下扎/回填速率为40 mm/min、50 mm/min时,试样抗拉伸力较高,且随转速升高的变化趋势相近,试样最高抗拉力出现在转速2100 r/min、速率40 mm/min时;焊点外缘结合区是材料结合最薄弱区域,若该区域表面出现缺陷,则焊点力学性能较差,该区域表面平整,则焊点力学性能高;试样断裂方式均为薄板一侧出现“穿孔”,焊点完整留在厚板一侧,断口断裂机制为韧性断裂、晶间滑移与脆性断裂相互作用的混合断裂。

搅拌时间对铝-钢搅拌摩擦点焊搭接接头质量的影响

采用钨基硬质合金的搅拌头对AA6061铝合金板材与TRIP钢板进行了搅拌摩擦点焊试验,研究了搅拌时间对点焊搭接接头成形以及连接强度的影响。结果表明:随搅拌时间从0s增加至7s,点焊接头均成形良好,搅拌针作用区域内出现的“弯钩”尺寸逐渐变大。接头的连接强度随搅拌时间的增加不断变大,当搅拌时间为5s时,达到一个最大值,此时再继续增加搅拌时间,接头强度反而大幅度降低。接头强度受“弯钩”尺寸以及金属间化合物的形成影响。

铝锂合金异型搅拌针下压式摩擦点焊接头成形、显微组织与力学性能

对2195铝锂合金进行了非圆截面异型搅拌针下压的回填式摩擦点焊(RFSSW)试验、预置异种铝合金示踪急停试验,并与圆柱形搅拌针下压、传统搅拌套下压回填式摩擦点焊进行了焊点成形对比。结果表明,I字形搅拌针下压点焊工艺可实现预置材料与被焊材料充分的流动混合,促进焊点成形,解决了传统点焊方法中心回填不足和侧面弱连接缺陷问题,并能有效抑制Hook进入焊点的长度。焊点力学性能实验表明,直径5.2mm搅拌针下压焊点剪切拉伸拉断力可达7.15kN,呈剪切断裂模式并表现为韧性断裂;十字拉伸拉断力可达3.04kN,呈下板塞型断裂模式;焊核具有较高的显微硬度,而接头热影响区发生明显软化。

组分液化对2A12铝合金回填式搅拌摩擦点焊接头力学性能的影响

采用回填式搅拌摩擦点焊焊接方法对2 mm厚2A12铝合金进行焊接,并基于三维热流耦合有限元方法对焊接温度场和热循环进行数值模拟。结果表明,随着焊接转速增大,焊接峰值温度与高温停留时间增加,当焊接转速高于2000 r/min时,接头搅拌区发生组分液化现象,形成Cu、Mg元素富集的共晶组织,在接头横截面表现为"U"形线特征。当焊接转速为2000、2500 r/min时,在拉伸载荷作用下,裂纹优先在组分液化区域发生萌生并扩展,焊接接头的拉剪载荷分别为7.6、7.8 kN。当焊接转速为1500 r/min时,组分液化现象得到抑制,接头拉剪载荷提高至8.0 kN。

钢/铝回填式搅拌摩擦点焊接头界面形貌和组织研究

采用回填式搅拌摩擦点焊实现了钢和铝合金板的连接。利用光学显微镜、扫描电子显微镜和电子探针X射线显微分析仪等设备观察了钢/铝点焊接头的界面形貌,并分析了钢/铝点焊接头的力学性能与界面形貌的关联机制。结果显示,钢/铝点焊接头的断裂类型为钮扣断裂,力学性能较好。钢/铝点焊接头结合良好,未见明显的焊接缺陷。在钢/铝点焊接头界面处可以观察到钩状结构和漩涡结构,这些结构提供机械互锁效果,有利于母材的结合。钢/铝点焊接头界面处形成了主要元素为Al、Fe和Si的金属间化合物层。有效的冶金结合和机械结合是钢/铝点焊接头性能良好的主要原因。

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。