超声搅拌摩擦焊焊缝纹理面组织和性能研究

对6061-T6铝合金板进行搅拌摩擦焊对接焊(friction stir welding,简称FSW),并在焊接中途加入20 k Hz超声辅助焊接(ultrasonic assisted friction stir welding,简称UAFSW),采用扫描电子显微镜(SEM)对比研究了UAFSW和FSW焊缝上表面带状纹理的宏观形貌、微观组织及力学性能。结果表明,超声的加入使得焊缝上表面纹理更加光滑细腻,组织晶粒更为均匀细小,耐腐蚀性变差并致使腐蚀后的金相组织宏观形貌色泽暗淡,SEM图中第二相整体排更具有一定方向性。显微硬度上,波峰处大于波谷处,最小值65.8 HV_(0.5)出现在前进侧,是母材区的52.2%,距离焊缝中心相同距离处UAFSW大于FSW。

6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊温度场分析

为了分析超声振动对6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程温度场的影响,采用解析建模和数值模拟的方法,建立了超声辅助搅拌摩擦焊过程中接触界面摩擦系数模型和热力耦合有限元分析模型,开展了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊温度测量试验,结合有限元与试验结果进行对比分析.结果表明,仿真得到的工件表面温度分布曲线及取样点温度都与试验结果基本吻合,验证了建立模型的准确性;超声振动可以改变摩擦状态,降低焊接摩擦产热,减少峰值温度及高温区域的面积,振幅对焊接峰值温度影响的显著性高于频率.

超声振动对2195铝锂合金搅拌摩擦焊接头显微组织与力学性能的影响

采用新型超声振动强化搅拌摩擦焊对第三代2195-T6铝锂合金进行焊接,研究超声振动对接头显微组织与力学性能的影响。研究表明,超声振动强化搅拌摩擦焊能够增强塑性材料流动,进而抑制焊接缺陷,提高无缺陷接头的临界焊接速度。在保证接头抗拉强度达到母材75%的条件下,超声振动强化搅拌摩擦焊的焊接速度和效率均高于常规搅拌摩擦焊。施加超声振动能够大幅提升较高焊接速度条件下的接头力学性能。超声振动强化搅拌摩擦焊接头的极限抗拉强度为449.5 MPa,达到母材的83.1%。超声振动强化搅拌摩擦焊接能够在保证接头质量的前提下提升临界焊接速度和焊接效率。

超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟

为了研究6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程中温度场与焊缝区域材料流动等行为,采用耦合欧拉-拉格朗日方法,考虑超声振动对工件材料属性的影响,建立了6061铝合金超声辅助搅拌摩擦焊热机耦合数值模型,通过示踪粒子监测材料流动行为,开展超声辅助搅拌摩擦焊试验,并对模型准确性进行验证。研究结果表明:焊接过程中焊缝材料首先被压缩至工件底部,随后在搅拌头的作用下向工件上表面与搅拌头后方流动;工件表面温度场与焊缝区域的等效塑性应变场均呈不对称分布,塑性应变区域集中于焊缝两侧共约25 mm的区域内,区域温度均高于400℃;焊核区域的形状与尺寸及飞边的位置和尺寸的模拟结果与试验结果基本吻合,验证了建立的热机耦合数值模型的正确性。

超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验

为解决传统的搅拌摩擦焊工艺存在的轴向压力过大、搅拌头易磨损、焊接表面存在缺陷等问题,设计了一种集搅拌头与夹心式纵扭超声振动换能器为一体的超声辅助搅拌摩擦焊工具头。对超声辅助搅拌摩擦焊工具头进行了模态分析与谐响应分析,确保换能器结构满足要求。应用仿真软件对超声辅助搅拌摩擦焊进行了流体场、温度场和声场仿真分析,验证了在搅拌摩擦焊过程中加入纵扭超声振动能够增强材料的软化率,提高焊接材料的塑性流动。搭建实验平台,进行了6061铝合金的超声辅助搅拌摩擦焊焊接实验。结果表明,纵扭超声的引入能够提高焊接过程中材料流动性,减小搅拌头的前进阻力和轴向压力,改善焊接表面质量。在焊头转速900 r/min、焊接速度1.4 mm/s、轴向压力2.6 kN、超声功率100 W时,焊接效果最好,能较好地应在铝合金、镁合金等焊接熔点比较低的轻金属焊接之中。

铝/钛异种金属超声振动强化搅拌摩擦焊接工艺试验研究

搅拌摩擦焊在铝/钛异种金属焊接方面具有明显优势,但采用常规搅拌摩擦焊进行铝/钛异种金属焊接时,在焊缝根部仍易产生弱连接缺陷。为此,采用超声振动强化搅拌摩擦焊接新工艺进行了4mm厚的2024铝合金与TC4钛合金的焊接工艺试验,焊后进行了接头微观组织与力学性能分析。通过与常规搅拌摩擦焊接工艺进行对比,发现辅加超声振动能够改善铝/钛异种金属搅拌摩擦焊缝表面成形,降低接头根部弱连接缺陷的高度,减少接头金属间化合物的生成。在搅拌头转速为400r/min,焊接速度为45mm/min时,接头的抗拉强度可达到343.3MPa,相比于常规搅拌摩擦焊提升18.9%,达到铝合金母材强度的76.2%。研究证实了超声振动强化搅拌摩擦焊接新工艺在铝/钛异种金属焊接方面的优势,为提高铝/钛异种金属的焊接质量提供了新的技术手段。

超声辅助搅拌摩擦焊对焊缝残余应力的影响

为了研究超声辅助搅拌摩擦焊对焊缝残余应力的影响,试验应用20 kHz的超声波辅助搅拌摩擦焊焊接了1.8 mm厚2024-T4铝合金,焊后应用X射线衍射法对焊缝的表面残余应力进行了测量,并与相同参数、工艺条件下搅拌摩擦焊残余应力进行对比。结果表明:转速1 200 r/min、焊速160 mm/min时,超声辅助搅拌摩擦焊纵向残余应力比搅拌摩擦焊平均降低38 MPa(降低28.5%)。超声辅助搅拌摩擦焊沿焊缝方向各点纵向残余应力分布更加均匀化,波动量降低。超声辅助搅拌摩擦焊对焊缝横向残余应力影响很小,应力水平与搅拌摩擦焊相当。在相同转速下,随着焊接速度的提高,焊缝的纵向残余应力也随之提高。

2024-T4铝合金薄板的超声辅助搅拌摩擦焊研究

分别用搅拌摩擦焊(FSW)和超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)两种方法对1.8 mm 2024-T4铝合金进行对接焊接,并对焊缝的微观组织和力学性能进行了分析比较。结果表明:FSW和UAFSW两种方法焊接的1.8 mm 2024-T4铝合金均可得到成型美观、内部无缺陷的焊缝,但UAFSW的焊缝力学性能优于FSW;在其它条件相同时,FSW的焊接强度达母材的74.14%,UAFSW的焊接强度可达到母材82.83%。金相组织分析表明,UAFSW焊缝区组织比FSW的更均匀,晶粒更细小。

超声辅助搅拌摩擦焊温度场及残余应力场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是一项在搅拌摩擦焊的搅拌头上添加轴向高频振动的新技术.以6 mm厚7075铝合金材料为研究对象,建立了超声辅助搅拌摩擦焊与普通搅拌摩擦焊接的热源模型,通过ANSYS软件研究了轴向振动对焊接过程温度场以及焊后残余应力的影响规律.结果表明,轴向振动的添加能够增大热输入量,提高焊接峰值温度且降低焊缝残余应力;在相同转速及焊接速度下,当振动频率一定时,焊接峰值温度和焊后残余应力随着振动幅值的增加而增大;当振动幅值一定时,随着振动频率的增大,焊接峰值温度及焊后残余应力也相应增加.

飞机蒙皮铝合金超声辅助搅拌摩擦焊试验分析

针对飞机蒙皮对接时,因搅拌摩擦焊(FSW)工艺窗口狭窄易致底部虚焊、弱连接等缺陷问题,为了探索更适合大飞机蒙皮长程稳定焊接的新方法,设计了超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)与FSW的蒙皮连接对比试验,采用1.8 mm厚度的2524-T3铝合金进行了同种工艺条件下的UAFSW与FSW焊接,对表面成形良好、内部无缺陷的FSW与UAFSW焊缝,进行了拉伸、金相、扫描电镜观察等对比分析试验。结果表明,与FSW焊缝相比,UAFSW焊缝缺陷率明显降低,工艺窗口扩大;UAFSW焊缝表面纹理更细密,层叠现象消失;UAFSW焊缝的平均抗拉强度略高于FSW焊缝,达到母材强度的90.7%;UAFSW焊缝的平均延伸率则比FSW焊缝高20%左右。研究发现,超声的加入使UAFSW焊缝微观组织更细更均匀,晶粒尺寸变细小,且晶粒沿轧制方向的规律性被打乱,呈现无明显方向的杂序排列。

基于正交试验的2024-T4铝合金超声辅助搅拌摩擦焊的研究

采用正交试验研究了超声辅助搅拌摩擦焊工艺参数对1.8 mm厚的2024-T4铝合金板接头组织与力学性能的影响。结果表明:焊接速度对接头抗拉强度的影响最大,而旋转速度和超声频率的作用依次减弱;采用最优参数焊接,即当转速为1600 r/min、焊速为240 mm/min、频率为25 k Hz时,其接头的抗拉强度可达397 MPa,比搅拌摩擦焊强度提高了6%。通过对比焊缝宏观及微观纹理、力学性能、金相组织和显微硬度等,均发现超声搅拌摩擦焊焊缝性能要优于搅拌摩擦焊。

2519A铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接试验分析

针对2519A铝合金搅拌摩擦焊(FSW)底部虚焊和弱连接等问题,通过搅拌头施加纵深超声能,形成超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW),进行了同种工艺条件下的FSW与UAFSW对比试验分析.结果表明,超声能的加入,使焊接区金属的塑性变形阻力降低,UAFSW焊缝整体流变区域明显增大加深,且超声能贯穿到焊缝底部,使底部流动性增强,降低了缺陷率,使焊核区连续动态再结晶过程获得的晶粒尺寸更细小,且析出的第二相更精细;UAFSW焊缝的抗拉强度达到364.62 MPa,为母材抗拉强度的79.25%,比FSW焊缝提高4.10%,平均屈服强度则显著提高10.98%,但断后伸长率有所降低.

2024-T4铝合金薄板超声辅助搅拌摩擦焊温度场数值模拟

以2024-T4铝合金为研究对象,利用有限元软件MSC.Marc建立了UAFSW和FSW模型,对比分析其温度场,研究超声对FSW温度分布的影响,探索合适的UAFSW工艺参数范围。结果表明:在同等条件下,UAFSW模型峰值温度高于FSW,说明超声的加入有温度补偿作用;超声的加入增大了焊接工艺窗口,提高了焊接效率。

超声辅助搅拌摩擦焊流场分析

超声辅助搅拌摩擦焊是在搅拌摩擦焊过程中增加超声振动,利用超声波效应改善焊缝组织性能的一种新型金属固态焊接技术。本文基于计算流体力学和弹塑性力学理论,建立了1.8 mm厚2024铝合金超声辅助搅拌摩擦焊流场分析模型。对流场分析发现,超声波的导入能够提高材料塑性流动,同时也扩大塑性流动区域;而焊速的提高,导致前进侧将成为焊缝的薄弱环节。

6061-T6铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接头的组织与力学性能

对3mm厚6061-T6铝合金板进行超声辅助搅拌摩擦焊(UA-FSW),研究了UA-FSW接头的焊接质量、力学性能、拉伸断口形貌以及焊核区的组织,并与FSW接头的进行了对比。结果表明:UA-FSW能有效减少焊接缺陷,拓宽焊接工艺窗口;两种接头的显微硬度曲线均呈"W"形,焊核区均呈"洋葱环"特征,但UA-FSW接头焊核区的"洋葱环"更为流畅;与FSW接头相比,UA-FSW接头的硬度和拉伸性能更高,断口上的韧窝更多、更深,焊核区的晶粒更小、更均匀。

铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接接头组织性能研究

目的探究超声振动对铝合金搅拌摩擦焊的作用效果。方法分别采用普通搅拌摩擦焊和超声辅助搅拌摩擦焊方法,对7075铝合金进行焊接试验,并对焊接接头的微观组织、力学性能、断口形貌进行分析。结果普通搅拌摩擦焊焊缝中生成了隧道型缺陷,施加超声振动后,缺陷消失,形成了无缺陷的良好接头,且与普通搅拌摩擦焊相比,超声辅助搅拌摩擦焊焊缝热影响区晶粒长大程度较小,焊核晶粒细化。接头强度明显提高,达到铝合金母材强度的71.5%,接头断裂模式为韧窝和准解理的混合断裂形式。结论超声振动促进了塑性金属的流动,能有效抑制孔洞、隧道型缺陷等的形成,同时超声振动能在提升金属塑性的同时,降低焊缝的热输入。

超声辅助搅拌摩擦焊2219铝合金接头的缺陷控制

为了研究超声的导入对FSW焊缝成型过程中缺陷的抑制作用,对2.5 mm 2219薄板铝合金进行常规搅拌摩擦焊(FSW)和超声辅助搅拌摩擦焊(UAFSW)试验,从焊接变形、孔洞缺陷、残余应力值以及显微组织等方面进行了对比分析。结果表明:在相同的焊接参数下,超声的加入能够使得焊缝成型更美观,有效抑制焊接变形,降低残余应力值,减少焊缝孔洞、疏松等缺陷,提高焊缝质量稳定性。

铝锂合金的搅拌摩擦焊及其改型工艺研究进展

铝锂合金拥有较高的比强度和比刚度以及高损伤容限,且耐蚀性好、低温疲劳性能优异,是航空航天、轨道列车等领域实现构件轻量化的理想结构材料之一。搅拌摩擦焊是高强铝锂合金焊接成形的优选方法之一。首先探讨了铝锂合金熔化焊接的特点及难点,然后分析了铝锂合金的搅拌摩擦焊接的研究现状及挑战,随后讨论了国内外学者对铝锂合金搅拌摩擦焊接改型工艺的相关研究进展,最后对铝锂合金搅拌摩擦焊接的未来研究方向进行了展望。

7075-T6合金超声辅助搅拌摩擦焊接头搅拌区组织与力学性能

搅拌区的金属流动不充分容易导致轴肩影响区与搅拌针影响区之间的过渡区出现疏松缺陷并恶化接头的力学性能.在不同焊接参数条件下,对7075-T6铝合金分别进行常规搅拌摩擦焊接(FSW)和超声辅助搅拌摩擦焊接(UAFSW),研究了超声振动对接头搅拌区的金属流动行为、微观组织特征和力学性能的影响.结果表明:相同焊接参数下,UAFSW接头搅拌区的力学性能均优于FSW接头.焊接参数为1000 r/min-110 mm/min的UAFSW接头搅拌区的抗拉强度和延伸率最高,分别达到515 MPa和17.3%.在搅拌摩擦焊接过程中施加轴向超声振动可以显著降低搅拌区金属的屈服应力和流变应力,促进塑化金属沿板厚方向的流动.消除搅拌区中过渡区的疏松缺陷,并细化微观组织,是接头力学性能提高的主要原因.

搅拌摩擦焊技术在我国的发展及应用现状

综述了我国十多年来搅拌摩擦焊(FSW)技术的发展及应用情况:分析了FSW的主要研究内容;连接的材料类型、焊件厚度范围及焊缝形状;FSW焊接工具形状及材料;焊接设备的研制情况;超声搅拌摩擦复合焊接技术;FSW技术的应用行业情况。展望了FSW技术下一步的研究重点及发展前景。