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%。

AA6056双轴肩搅拌摩擦焊接头非均匀性分析

采用双轴肩搅拌摩擦焊对4 mm厚6056铝合金进行了焊接,分析了接头不同特征区的显微组织和力学性能的非均匀特性.结果表明,接头横截面等效应变呈哑铃状,与焊缝横截面宏观形貌一致;接头横截面沿焊缝中心左右两侧塑性应变呈非对称分布状态,其中接头前进侧的塑性应变值高于后退侧;搅拌区靠近前进侧和中间位置的大角度晶界比例高于后退侧,前进侧和中间位置主要为B型{112}<110>织构,后退侧为A型{111}<110>织构;焊缝的带状区局部发生不完全动态再结晶,变形晶粒比例高达58.9%,带状区为B型{112}<110>织构,织构强度为10.6,高于搅拌区其它位置;接头热影响区的应变超过18%,高于整体接头应变3.6%,热力影响区的应变与整体接头相近,而搅拌区的应变小于整体接头.

中厚板2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊焊接残余应力及微观组织演变

为了研究双轴肩搅拌摩擦焊缝内部焊接残余应力的大小及分布情况,本研究采用短波X射线衍射进行焊接件内部残余应力的无损检测分析;采用光学显微分析、显微硬度和电子背散射衍射(Electron Back-scattering Patterns,EBSD)对焊缝的前进侧和后退侧的母材、热影响区、热机械影响区和焊核区的组织结构演变进行了分析。金相观察结果显示双轴肩搅拌摩擦焊的接头组织在厚度方向上近似于对称分布,呈“腰鼓形”,焊核区与热机影响区的界面为近似双曲线,前进侧热机影响区的分界线更明显。EBSD扫描结果显示热影响区、热机械影响区均存在较强的形变组织;焊核区在剪切变形和焊接循环热的双重影响下发生了动态再结晶,主要为弱取向组织,小角度晶界含量较大。短波X射线衍射结果表明,双轴肩FSW焊接板内部板厚中心层,纵向方向残余应力均大于横向方向;沿着焊缝,拉应力较大区间位于距焊缝起始端150~250 mm的范围内,最大拉应力为244 MPa。

6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能研究

采用双轴肩搅拌摩擦焊方法对4 mm厚6082-T6铝合金板进行对接试验,对接头的组织和力学性能进行了研究。结果表明,接头焊核区发生了动态再结晶,呈现出典型的等轴细晶组织。在下压量为0.2 mm,搅拌头转速为700 r/min,焊接速度为300 mm/min的参数下,接头的抗拉强度为222.42 MPa,约达到母材的70.1%。拉伸接头在热影响区发生断裂,呈现出典型的韧性断裂模式;焊接接头横截面的硬度呈“W”形分布,硬度值在接头两侧的热影响区位置最低。接头的正弯、背弯强度接近,均在24 MPa左右。在搅拌针表面螺纹向下挤压作用下,在近下轴肩区域上下塑性流动材料交汇产生弱连接现象,导致接头的背弯试样断裂程度更大。

6082-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头成形及力学性能

采用分体式双轴肩搅拌摩擦焊(Bobbin-tool friction stir welding,BT-FSW)实现了10 mm厚6082-T6铝合金板材的焊接,搅拌针表面的加工螺纹特征有助于搅拌针诱发周围材料的单一剪切变形,在增加搅拌针周围材料变形复杂程度的同时提高应变速率,从而有助于弱化材料在BT-FSW接头区域组织。结果表明,当转速为300 r/min,焊接速度为400 mm/min,且压入量为0.5 mm时,获得表面及内部宏观成形良好的BT-FSW接头,接头宏观形貌呈典型的“哑铃形”;在较高程度的塑性变形影响下,BT-FSW接头内的晶粒发生动态再结晶从而生成细小的等轴晶;由于接头不同区域的摩擦热输入分布不同,接头的硬度分布呈典型的W形分布;接头抗拉强度约为母材强度的77%,断后伸长率约为母材的69%。

5083铝合金搅拌摩擦焊缝多区域力学性能研究

对12 mm厚的5083铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头不同区域进行金相组织观察、拉伸试验、硬度测试和疲劳试验,对疲劳试验后的试样断口进行SEM观察。结果表明:焊核区晶粒明显细化,热影响区晶粒粗化,热机影响区晶粒发生严重变形并带有方向性。接头整体硬度近似呈非对称的“W”形分布。从母材到焊核区硬度先减小后增大。母材硬度值最高,焊核区次之。母材、焊核区、热影响区的疲劳寿命差别较大,母材疲劳性能最好,焊核区次之,热影响区最弱。各区的疲劳裂纹源位于疲劳试样的表面,扩展区中可以看到疲劳条带,瞬断区断裂形式均为韧性断裂。

轨道交通铝合金车体双轴肩搅拌摩擦焊研究现状与展望

双轴肩搅拌摩擦焊提高了复杂结构件焊接中搅拌摩擦焊的可操作性,同时节省搅拌摩擦焊夹具和垫板的设计、制造成本,另外从根本上消除了未焊透或根部缺陷等问题,在轨道交通车辆制造领域有着广泛的应用前景。近年来国内外研究人员对双轴肩搅拌摩擦焊的焊接工艺、接头微观组织及力学性能、搅拌头结构等进行了深入研究。如何进一步提高双轴肩搅拌摩擦焊接头力学性能成为后续实际应用于生产制造的重要课题。

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.

2A14-T6铝合金双轴肩搅拌摩擦焊特征及接头组织性能分析

成功实现了2A14-T6高强铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊,获得了表面成形良好,无内部缺陷的优质接头.试验发现,在焊缝的焊核内存在一个由上、下轴肩和搅拌针所驱动的材料塑性流动交汇区,该交汇区靠近焊缝下表面.微观分析表明,焊核上部的晶粒尺寸要小于其中部和下部的晶粒尺寸.焊缝各区的块状第二相在焊接中发生了溶解和粗化,导致接头内出现了宽度近乎轴肩直径二倍的软化区;焊缝各层硬度分布接近,没有出现常规搅拌摩擦焊中常见的接头各层异性现象.经拉伸测试证实,双轴肩焊接接头的强度系数达到了71%,拉伸时断在了焊核内的材料流动交汇区处.

2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能分析

对2219铝合金进行了双轴肩搅拌摩擦焊工艺试验,详细分析了焊缝成型、接头组织形态及力学性能。结果表明:2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊缝正反面成型美观,内部无缺陷,几乎无焊缝减薄。接头宏观形貌呈典型的"哑铃型",焊缝上下表面宽,中间略窄。从显微组织角度看,接头的焊核区、热机影响区、热影响区等组织特征与常规搅拌摩擦焊相似。双轴肩搅拌摩擦焊接头显微硬度分布趋势与常规搅拌摩擦焊接头相似,均为典型的"W"型,但双轴肩搅拌摩擦焊接头不存在各层异性。接头力学性能试验表明:双轴肩搅拌摩擦焊接头抗拉强度达到了318.3 MPa,延伸率为5.5%。接头断口形貌呈典型的韧性断裂。

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.

3mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能

采用固定双轴肩搅拌摩擦焊接技术对3mm厚6061铝合金板进行了拼焊试验,对其接头的显微组织与拉伸性能进行了研究。结果表明:在转速为1 500r.min-1、焊速为120mm.min-1的工艺参数下得到了良好的焊缝组织,焊接接头的抗拉强度为162.49 MPa;焊接高温时6061铝合金在空气中易氧化,导致焊缝截面出现明显的S线。

6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场研究

采用热电偶测温技术系统测定了6mm6082铝合金双轴肩搅拌摩擦焊试板各特征点的温度变化曲线,分析了双轴肩搅拌摩擦焊过程中焊接试板不同区域的温度场分布特征。双轴肩搅拌摩擦焊搅拌头上、下轴肩同时产热,比传统搅拌摩擦焊产热量大,且热输入方式及试板接触散热条件也有很大不同,因此,其稳定焊接速度较大,从而导致双轴肩搅拌摩擦焊试板温度场分布特征与传统搅拌摩擦焊明显不同。双轴肩搅拌摩擦焊过程分为加速焊接和稳定焊接两个阶段,起始阶段,随着焊接速度的增加,靠近起始端测温点的温度逐渐升高,而远离起始端各测温点的温度升温则非常缓慢,当焊接速度达到较高的稳定焊接速度,搅拌头接近后续各测温点时,其温度值瞬间急剧升高,然后随着搅拌头的远离,温度值逐渐下降。不同区域测温点温度测试结果显示,靠近下轴肩试板测温点的温度高于靠近上轴肩试板、后退侧的温度明显高于前进侧;与单轴肩搅拌摩擦焊接试板相同,距离焊缝越近的位置温度上升和下降的越剧烈,峰值温度越高;焊接速度提高,各测温点的峰值温度依次降低,随着测温点远离焊缝中心,焊接速度对其温度分布的影响作用逐渐减弱。

双轴肩搅拌摩擦焊技术在铝合金车体制造中的应用发展

针对双轴肩搅拌摩擦焊技术特点进行介绍,对双轴肩搅拌摩擦焊在铝合金车体制造中的应用现状进行了分析,并提出了由传统搅拌摩擦焊技术衍生出的新型搅拌摩擦焊技术在轨道车辆制造行业的未来发展趋势和应用对象。采用双轴肩搅拌摩擦焊工艺成为国内外的又一个研究热点,加快搅拌摩擦焊技术在铝合金车体应用对提高国内轨道车辆制造水平至关重要。

6061铝合金双轴肩搅拌摩擦焊接扭矩特征

为了揭示6061铝合金BTFSW过程中焊接扭矩的特征,对扭矩进行了检测,分析了扭矩信号的频谱特征、扭矩峰值的变化特点、扭矩振荡与焊缝表面成形的关系.研究表明扭矩具有周期性,主要频率接近于2倍主轴旋转频率值,频差的存在说明了焊接区域存在搅拌头与不同速率的金属流之间挤压摩擦的叠加行为;当接触点温度小于500℃时,扭矩峰值随着焊接速度的提高而变大,随着旋转速度的提高而变小;正常较小的扭矩振荡不影响表面成形,但当接触点温度大于550℃、上下轴肩间距过小或焊接速度过小或旋转速度过大等时,扭矩易发生异常振荡.对进一步揭示深入研究BTFSW焊接机理、搅拌头三维受力特征及其与焊接参数、焊接质量的关系有着重要的推动意义.

2219铝合金双轴肩搅拌摩擦焊与熔焊交叉接头的组织及性能

文摘对2219C10S铝合金进行双轴肩搅拌摩擦焊接,之后沿垂直于双轴肩搅拌摩擦焊方向进行变极性TIG焊接制备交叉接头,并对比分析了交叉接头与单一TIG接头的组织和力学性能。交叉接头与单一TIG接头的组织特征既有相同之处也存在差异。相同之处为焊缝区均由直流氦弧焊作用下的柱状区和交流脉冲氩弧焊作用下的碗状区组成;不同之处在于两者的母材区分别为细小等轴晶和轧制板条晶粒,而热影响区都是在母材晶粒上发生粗化长大。显微硬度测试结果表明,两类接头的横截面显微硬度分布均呈"W"型,单一TIG接头的的显微硬度分布梯度大于交叉接头,但交叉接头的软化区宽度更窄。拉伸测试结果得出,两类接头均断裂于接头的热影响区。沿SR-FSW焊缝方向的交叉接头的抗拉强度系数为66.14%,略低于单一TIG接头,但接头延伸率比单一TIG接头高约30%。断口形貌研究表明,交叉接头的断口形貌为典型的韧性断裂,而单一TIG接头还可观察到部分脆性断裂特征。

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。

2A14铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的温度场模拟及测定

采用自适应的热源模型,利用msc·marc模拟了6 mm 2A14铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊温度场。随后对模拟所得的温度场进行了试验验证,在相同的工艺参数下测量了焊接过程中距焊缝不同位置处的热循环曲线和峰值温度。对比结果表明:该模型能准确地模拟双轴肩搅拌摩擦焊接过程中的温度分布情况。

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.