摩擦液柱成形初始阶段的二维轴对称数值模拟

基于二维轴对称有限元模型,通过外部施加表面热流强度的手段对摩擦液柱单元成形(FHPP)初始阶段的热力耦合接触摩擦问题进行了数值模拟。结果表明:金属棒接触摩擦表面上的温度上升迅速,当其材料的屈服强度降低到一定值后就会在轴向应力的作用下发生塑性流动,进而对预钻孔底部进行填充;所施加的轴向应力、转速以及金属棒与预钻孔之间的径向间隙对成形过程都有不同程度的影响,轴向应力对成形过程的影响较转速对成形过程的影响略大,而径向间隙对成形过程的影响相对较小。

摩擦液柱成形过程的二维CFD数值模拟

采用Gambit软件建立了摩擦液柱成形(FHPP)过程流场的二维轴对称模型,运用商业计算流体动力学软件Fluent对FHPP稳态阶段塑性金属的流动情况进行了数值模拟。通过改变模拟过程中的单一关键参数而保持其他参数不变,分别讨论了金属棒和孔洞之间径向间隙、材料粘度、金属棒转速、金属棒进给速度以及基材孔底形状等对理想金属塑性流体流动成形过程中速度场和压力场分布变化的影响。结果发现,塑性金属材料的压力分布主要受进给速度(即轴向力)和材料粘度的影响,与金属棒的旋转速度和径向间隙关系不大;而速度分布受进给速度以及径向间隙的影响不明显,但与金属棒的旋转速度关系密切,尤其是靠近速度入口面以及金属棒附近的材料受旋转作用影响显著;通过改变基材孔洞底部的形状,可以改善塑性金属材料的流动情况,同时也揭示了实验过程中孔洞底部存在缺陷的原因。

摩擦液柱成形及摩擦叠焊新技术综述

摩擦叠焊是一种新型材料固相连接技术,由英国焊接研究所于1992年发明。摩擦液柱成形(FHPP)是摩擦叠焊的基本单元成形过程。笔者对摩擦液柱成形机理、摩擦叠焊成形过程进行了阐述,并分别对国外摩擦液柱成形单元及摩擦叠焊焊缝组织性能的研究进行了分析。国外的研究表明,摩擦液柱成形及以其为成形单元的摩擦叠焊技术能够获得优质的焊接接头。摩擦叠焊作为一种新型摩擦焊接技术,具有许多其他摩擦焊接方法无法比拟的优点,尤其在水下及深水厚壁结构焊接修复方面具有独特的优势。

基于材料变粘度模型的摩擦液柱成形CFD数值模拟

采用Gambit软件建立了摩擦液柱成形过程流场二维轴对称变粘度模型,运用商业计算流体动力学(CFD)软件Fluent对单元成形过程中稳态阶段塑性金属的流动情况进行了数值模拟。通过改变模拟过程中的进给速度或旋转速度,保持其他参数不变的情况下分析了塑性金属速度场、压力场的变化情况,对比了理想等粘流体模型和实际变粘流体模型的差异。结果表明,金属棒的进给速度对流体压力场的影响显著;随着旋转速度的增加,金属棒壁面以及底部的流体速度显著增加,该区域是单元成形过程中的主要产热区。

镁合金摩擦液柱成形焊接接头性能评估及成形机理综述

以摩擦液柱成形(FHPP)为单元的摩擦叠焊技术,在海底管道维修系统中能够获得优质的焊接接头。在以英、德两国为首的研究机构中,利用摩擦叠焊焊接海底管线的维修技术已取得了长足的发展,同时我国的研究机构也取得了很好的发展。镁及其合金已经在航空和汽车领域中应用越来越广泛,因此摩擦叠焊焊接镁合金的潜力非常大。本文对相同镁合金及异种镁合金的摩擦叠焊FHPP的焊接工艺、微观组织结构和力学性能的研究进展进行了综合分析,并对AZAZ相同镁合金及AEAZ异种镁合金的摩擦叠焊FHPP成形机理进行了全面讨论。

铝合金摩擦液柱成形有限体积法数值模拟

为了研究焊接参数对摩擦液柱成形过程的影响,建立了铝合金材料的三维模型,采用有限体积法对该模型进行了数值模拟,得到了塑性化铝合金的流动速度和压力分布情况,并且分析了焊接旋转速度与进给速度对流动速度和压力分布的影响。仿真结果表明,焊接棒附近流动速度较其他区域大,压力高的区域主要集中在焊接模型底部,进给速度对压力的影响大于旋转速度的影响,对于流动速度的影响主要取决于旋转速度。

新型材料成形加工技术——摩擦叠焊

摩擦叠焊是一种新型的固相连接技术,从TWI提出这一概念至今尚不足20年。摩擦叠焊的焊缝由一系列圆柱形或圆锥形组合的摩擦液柱单元成形过程组成,具体包括接触预热、稳定填充、停转顶锻三个阶段,金属棒的转速、轴向力等是影响成形质量的主要参数。从成形机理上看,摩擦叠焊与摩擦塞焊、摩擦堆焊、嵌入摩擦焊等存在着较大差异。由于该技术在干湿环境条件下都能够获得较好的连接质量,因此在材料成形加工尤其是钢结构水下修复作业方面具有巨大的应用潜力。欧盟国家近10年来已经开展了一系列机理研究和工程化应用研究,目前已经具备了水下连接的商业化作业能力。

FHPP单元成形过程初期阶段的热力耦合分析

摩擦液柱成形(FHPP)是摩擦叠焊的基本单元成形过程,也是影响摩擦叠焊焊接质量的关键环节。采用有限元软件MSC Marc建立了FHPP过程初期阶段的三维有限元热力耦合模型,对同质材料Q235-Q235组合进行了计算。结果表明,在焊接过程中焊棒底端摩擦面上的温度呈现沿径向由内向外逐渐升高的趋势,而接触压力的分布则是逐渐渐小。在材料未发生明显塑性变形的状态下提高转速对温度的升高作用显著,但是温度越高,效果越不明显。当材料在高温状态下发生塑性变形时,采用增大轴向力的方式更有利于温度的升高和材料大变形的产生。

2024铝合金圆柱形组合的FHPP试验分析

在国内首台摩擦叠焊设备上实现了2024铝合金/2024铝合金摩擦液柱成形(FHPP)连接,金属棒消耗段的直径为14 mm,预钻孔深为25 mm,孔径为16 mm,主要研究了转速和保护气体对FHPP成形质量的影响,通过金相显微镜、显微硬度仪等测试手段分析了试样的微观组织性能.结果表明,转速过低导致母材和金属棒无法接合甚至出现马达不能正常工作现象,采用转速为5 000 r/min,进给速度为0.5 mm/s的组合,可得到较好的焊缝;施加保护气体能更进一步改善FHPP的成形质量,接合线较未加保护气体时明显细化,金属棒上端材料和母材达到了良好接合.

基于MSC.Marc的摩擦叠焊面接触问题数值模拟

选用刚性平冲头与弹性半空间的经典面接触模型为研究对象,通过解析解与MSC.Marc有限元数值模拟结果的比较,确定了偏斜网格以及3级有限元计算对已知接触区域面接触问题的可靠性。对于摩擦叠焊单元成形过程所涉及的基本弹性静力学面接触问题而言,接触面上的法向应力分布从中心向边缘以二次曲线的形式逐渐增大;金属棒直径、轴向外载荷对接触面上法向应力的分布情况影响较大,而径向间隙、不同材料组合对其的影响相对较小。