2024铝合金搅拌摩擦焊残余应力分布研究

采用9组不同的焊接参数,利用分割释放法对3.2mm厚2024-T3铝合金板搅拌摩擦焊对接板进行了上下两表面纵向残余应力的测量,然后对其分布规律进行了分析研究。结果表明,上表面的纵向残余应力呈现双峰值,峰值出现在轴肩两侧边缘,不对称分布,前进侧残余拉应力普遍高于后退侧;下表面呈现单峰值,峰值出现在焊缝中心附近,靠近前进侧;下表面的纵向残余应力峰值普遍高于上表面;上下两表面的纵向残余应力峰值会随着转速的增加或者焊速的减小而减小,即会随着热输入量的增加而减小。

铝合金搅拌摩擦焊残余应力及变形的研究进展

搅拌摩擦焊作为一种新的固相连接技术,具有其他焊接方法无可比拟的优越性,特别是在非铁金属材料的连接方面。本文综述了近10多年来搅拌摩擦焊残余应力及变形研究的发展情况,分析了搅拌摩擦焊残余应力及变形的主要研究内容,产生残余应力及变形的内在机理,残余应力及变形的检测技术、预测技术及控制技术的研究现状及进展情况,提示了残余应力的一般分布规律,并展望了搅拌摩擦焊残余应力及变形技术下一步的研究重点。

5052铝合金搅拌摩擦焊残余应力场数值模拟研究

针对目前铝合金搅拌摩擦焊的焊后残余应力过大,且内部残余应力难以测量的现象,课题组提出了基于热弹塑性法和顺序热力耦合方式的搅拌摩擦焊应力模拟的热源模型、边界条件模型和有限元模型,采用正交设计的方法对影响残余应力3个主要因素进行数值模拟的设计,并对模拟结果进行试验验证。模拟与试验结果均表明合适的焊接参数(转速取1000 r·min^-1,焊速取120 mm·min^-1,预热时间取3 s)能有效减小5020铝合金搅拌摩擦焊的焊后残余应力,且数值模拟得到残余应力与实际焊后残余应力结果较为吻合。

6082–T6/7075–T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀行为

为提高航空、航天运载工具异种高强度铝合金零部件搅拌摩擦焊接接头在腐蚀环境下的服役可靠性,采用金相分析、电子显微分析和四点弯曲应力腐蚀法,对经过T6处理的6 mm厚6082–T6/7075–T6异种铝合金搅拌摩擦焊接接头应力腐蚀行为进行了研究。结果表明,搅拌头转速1200 r/min、焊接速度80 mm/min条件下,6082–T6/7075–T6母材获得了具有“洋葱环”结构的致密、成形良好的搅拌摩擦焊接接头组织。6082–T6和7075–T6母材搅拌摩擦焊接接头四点弯曲应力腐蚀主要发生在后退侧的7075–T6铝合金一侧,而前进侧6082–T6铝合金一侧表现出较好的耐蚀性。这主要是由于异种铝合金母材电极电位差异导致焊接接头发生应力作用下的电偶腐蚀所致。此外,α–Al基体与第二相形成微区电偶对,以及焊接接头热机械影响区(TMAZ)、热影响区(HAZ)和母材区(BM)存在的大角度晶界也是造成应力腐蚀的重要原因。

基于轮廓法测试铝合金搅拌摩擦焊内部残余应力

采用轮廓法测试8 mm厚AA6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接头的内部纵向残余应力。详细介绍了轮廓法的测试过程,获得了搅拌摩擦焊接头切割面上的纵向残余应力分布全貌,分析了残余应力沿厚度变化特征。研究结果表明,轮廓法能够获得搅拌摩擦焊接头的内部应力分布,测试的搅拌摩擦焊接头纵向残余应力沿横向方向为不太明显的M形分布;在焊接区域前进侧的纵向应力大于后退侧应力,纵向残余应力沿厚度分布不均匀,峰值纵向拉应力为168 MPa,约为母材室温屈服强度的60%,且峰值拉应力出现在焊接接头前进侧边缘距上表面5 mm(62.5%厚度)位置。

2024-T351铝合金搅拌摩擦焊焊件内部残余应力测试

为准确掌握铝合金搅拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)焊件中的残余应力分布,以便优化FSW焊接工艺和对后续加工起到一定的支撑作用,借助自主研发的短波长特征X射线衍射仪(Short wavelength X-ray diffractometer,SWXRD),分别采用sin2ψ法和d0法对2024-T351铝合金FSW焊件内部残余应力进行测试,并与中子衍射和同步辐射及钻孔法测试的FSW焊接应力进行分析比较,同时对焊接区各区域微观组织进行金相观察分析,对焊接中心层的显微硬度分布进行测试。结果表明,用SWXRD可以实现铝合金内部残余应力的无损检测;对2024-T351铝合金FSW焊件内部残余应力测试,用d0法得到板材轧制方向的残余应力存在3个拉应力峰值,其中两个位于热影响区(Heat affected zone,HAZ),一个位于焊缝中心,与国外中子衍射和高能同步辐射的测试结果一致;用sin2ψ法可以快速获得FSW焊核区(Weld nugget zone,WNZ)的残余应力,对存在强织构的热机械影响区(Thermal-mechanically affected zone,TMAZ)、HAZ和母材区(Base material zone,BMZ)的应力测试有较大的误差,但将d0法结合可以快速得到焊接区的应力分布。

工艺参数对搅拌摩擦焊7022铝合金残余应力及耐磨耐蚀性能的影响

采用不同的焊接参数对10mm厚7022铝合金进行搅拌摩擦焊研究。利用X射线应力分析仪检测焊接试样的残余应力分布;利用摩擦磨损试验机对焊缝试样进行磨损性能研究,并通过三维形貌仪观察其磨损形貌;利用pH=5的Na2SO4溶液对焊接试样进行腐蚀试验,并通过SEM观察其表面腐蚀形貌。结果表明:各参数下焊接试样的残余应力均较小,最大和最小残余压应力分别为-97MPa和-0.011MPa;最大残余拉应力为80MPa和9.3MPa;从磨损形貌观察到焊缝试样摩擦磨损过程比较稳定,磨损凹槽表面较均匀,磨损主要形式为粘着磨损和塑变磨损组合;焊接试样主要腐蚀形式为点腐蚀,腐蚀产物主要为Al,Zn和Mg的氧化物及硫酸铝等。对比各参数焊接下的试样,得出在搅拌头转速为400r/min,焊接速率为30mm/min时焊接的试样残余应力最小,磨损程度最小和耐腐蚀性能最好。

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分布

采用小孔法对3 mm厚2024-T4铝合金板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力分布规律进行研究。为了衡量钻孔引入应变对结果的影响,测量了退火2024铝合金板钻孔产生的应变,将其作为附加应变对焊接试件上测得的应变结果进行修正。结果表明,在试验条件下得到的焊接接头的残余应力以纵向应力为主,横向应力相对很小;纵向高应力区集中在轴肩作用区域,呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧,在轴肩作用区域之外应力值迅速降低,在距焊缝中心较远的区域转变为压应力;纵向残余应力峰值为164.5 MPa。分析认为,机械搅拌和焊接温度场的叠加作用造成焊缝两侧纵向残余应力的不对称分布。

7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟

根据搅拌摩擦焊特点及库伦摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075-T7351铝合金板材为研究对象,基于ANSYS有限元软件,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究不同转速、焊接速度对温度场及残余应力场的影响规律.结果表明,焊接过程峰值温度在500℃左右,接头最高温度出现在搅拌头后部大约5 mm处;接头残余应力以纵向残余应力为主,在垂直焊缝方向上呈M形分布,最大值约为150 MPa;当搅拌头转速一定时,随着焊接速度的增大,峰值温度减小,峰值纵向残余应力增大;当焊接速度一定时,温度随着转速的增大而增大,且转速越大,纵向残余应力分布越均匀.

高强铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及变形的热力耦合模拟

针对航空领域中常用的7B04高强铝合金,基于剪切摩擦生热理论,建立了适用于薄板搅拌摩擦焊(FSW)过程的自适应热源模型,利用有限元软件MSC.Marc建立了FSW过程的热力耦合有限元模型,并通过子程序二次开发,将建立的热源模型载入到有限元模型中,对7B04铝合金薄板的FSW过程进行瞬态热力耦合模拟。预测并分析了FSW过程中铝合金板材内部的温度分布与演化、焊接接头附近区域的残余应力分布及板材的最终变形情况,通过开展FSW工艺试验从温度场和残余应力两方面对模型的可靠性和模拟结果的准确性进行了验证。此外,利用经过验证的有限元模型对搅拌头机械载荷在残余应力和变形中的影响作用进行了深入分析。

铝合金搅拌摩擦焊接头内部残余应力的短波长X射线测试

采用自制的短波长X射线应力分析仪测定了2024-T351铝合金板搅拌摩擦焊接头的内部残余应力分布。结果表明:接头内部的纵向残余应力呈典型的"M"型分布,且高于横向残余应力,应力峰值位于焊缝热机影响区和热影响区交界附近,测试结果与文献报道结果相符。

LY12铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力分析

采用小孔法对不同焊接工艺参数下得到的LY12铝合金薄板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力进行了测量和分析.为了消除孔边塑性变形对测量精度的影响,建立了三维有限元法模拟应变释放系数的测量试验,使用基于孔边形状改变比能的A,B系数修正法对盲孔释放系数进行修正.结果表明,接头残余应力呈不对称分布,前进侧应力高于返回侧;纵向残余应力总是高于横向残余应力,但是横向残余应力并非在零附近,而是有一定的大小,约为焊前母材强度的10.8%;在一定范围内,搅拌摩擦焊接头残余应力随旋转频率先增大后减小,随下压量和焊接速度的增加而增加.

7075-T651铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力研究

采用对接形式对7075-T651铝合金板进行了搅拌摩擦焊接,并采用盲孔法对其接头的残余应力分布规律进行了研究。结果表明,应力曲线为"M"型,焊核区最小,在邻近轴肩处最大。在焊接速度200 mm/min下,焊核的纵向残余应力为压应力。根据不同焊接速度下残余应力分布,发现随着焊接速度的提高,纵向残余应力增大,最大值从136MPa(200 mm/min)增大到275 MPa(300 mm/min)。另外,后退侧的残余应力比前进侧的大,随着焊接速度的减小,残余应力在前进侧与后退侧的差值减小。接头不同位置的微观组织分析表明,前进侧和后退侧不同的微观形貌也反应了残余应力的不对称性分布。

航空铝合金薄板搅拌摩擦焊内部缺陷的超声相控阵检测

针对3 mm厚度下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测需求,基于典型缺陷特征以及缺陷对焊接接头性能的影响规律分析,明确了搅拌摩擦焊无损检测应重点关注的缺陷类型;设计了不同深度和尺寸的隧道以及未焊透缺陷模拟样件,利用模拟缺陷样件验证了超声相控阵检测技术对铝合金搅拌摩擦焊中1 mm埋深0.2 mm孔径的隧道缺陷以及1.6 mm埋深2 mm长、0.2 mm深未焊透缺陷的检测能力,对3 mm厚度下搅拌摩擦焊实际样件的检测结果与X射线检测结果及断口观察结果吻合,超声相控阵检测技术可以用于3 mm以下航空铝合金薄板搅拌摩擦焊焊缝的检测。

基于SWRXD的5083/6082异种铝合金搅拌摩擦焊接头的残余应力分布规律

以5083铝与6082铝为研究对象,利用搅拌摩擦焊(friction stir welding,FSW)制备了异种材料对接接头.利用短波长X射线衍射(short-wavelength X-ray diffraction,SWRXD)技术,以{311}与{111}为衍射晶面,基于极图最外圈织构参量确定了残余应力测试方向,采用d0法研究了FSW焊件中心层的残余应力.结果表明,{111}和{311}晶面测试的纵向残余应力分布趋势相近,焊核区为拉应力并出现两个应力峰值;{111}晶面的测试结果更为离散,应力的峰值向前进侧偏移;采用{111}晶面测试的横向的残余应力分布趋势与{311}晶面测试的结果偏差较大.

基于复合搅拌摩擦焊的6063铝合金焊接接头残余应力控制研究

分别采用普通搅拌摩擦焊和带随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置的复合式搅拌摩擦焊对6063铝合金薄板进行焊接试验,并对两组试验的纵向残余应力数据进行对比分析。试验结果表明：普通搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力是拉应力,其值为83.6 MPa,位于前进侧的搅拌头轴肩边缘处。前进侧与返回侧两侧的纵向残余应力基本对称,从焊缝中心到边缘,纵向残余应力由小变大后再变小,最后转变为压应力;复合搅拌摩擦焊接焊后试样的最大纵向残余应力比普通搅拌摩擦焊减小了38.9 MPa,其分布与普通搅拌摩擦焊时基本相同,但其变化范围窄。这说明随焊旋转滚压装置及随焊水雾冷却装置能有效减小纵向残余应力,从而能减小焊后变形,提高搅拌摩擦焊接接头质量。

铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试分析

采用小孔法研究厚2 mm的6061-T5铝合金搅拌摩擦焊对接接头残余应力的分布规律,分别测量接头处垂直、平行于焊缝的残余应力,并进行了计算分析。结果显示,搅拌摩擦焊接头残余应力在焊缝及其附近区域无论是垂直还是在平行焊缝方向的均承受压应力,且随小孔深度的增加而增加。垂直和平行于焊缝方向的残余应力呈现出周期性分布,且它们在前进侧的周期相比于后退侧较小;残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,后退侧应力值较高,其残余应力峰值出现在后退侧轴肩作用区域边缘处,其值分别为93 MPa和100 MPa。

基于本征应变重构技术构造搅拌摩擦焊接铝合金薄板接头的残余应力场

采用本征应变重构技术,以小孔法测试的少量应力数据为基础,利用热弹性有限元法构造出4mm厚铝合金搅拌摩擦焊接接头的纵向残余应力场;研究了表征本征应变的多项式阶数和试验数据量对构造残余应力场结果的影响。结果表明:在少量测试数据的基础上对数据进行插值拟合处理,采用10阶以上切比雪夫多项式表征本征应变,可构造出与试验结果符合较好的纵向残余应力场;试验数据需包含特征区域的应力值才能较准确构造出该区域的应力分布。

转速对7075-T651铝合金搅拌摩擦焊接件内部残余应力分布的影响

目的掌握铝合金搅拌摩擦焊接板内部残余应力的分布,为控制焊接残余应力、改进焊接工艺和提高焊接件质量。方法以13.6 mm厚的7075-T651铝合金为研究对象,用短波长X射线衍射技术,对在不同搅拌头转速下搅拌摩擦焊接板内部的残余应力进行了无损测试,并对焊接接头在板厚中心层上的微观组织和显微硬度进行了研究。结果在垂直于焊缝截面上的显微硬度均呈"W"型分布,焊核区的显微硬度高于其两侧的热机械影响区和热影响区,但低于母材区的硬度;随着转速的增大,接头硬度的最小值减小,低硬度区的范围越大。横向残余应力绝对值整体小于焊接方向;焊核区为正应力,热机械影响区残余应力减小且变化梯度最大;残余应力的极大值位于热影响区和热机械影响区的交界处;残余应力极大值与硬度最小值的位置重合。结论通过残余应力的无损检测分析,不仅可以直接获得加工件内部应力分布,还可以间接获得加工件内部的加工缺陷情况,为改进加工工艺、提高成形精度提供依据。

搅拌头尺寸对7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的影响

根据搅拌摩擦焊特点及库仑摩擦做功理论,以厚度为6 mm的7075铝合金(供货状态:T6)板材为研究对象,基于ANSYS有限元分析平台,建立了搅拌摩擦焊双热源三维有限元模型,研究搅拌头尺寸对温度场及残余应力场的影响规律。研究结果表明:纵向残余应力分布呈M形,最大值出现在轴肩边缘处;搅拌针长度一定时,随着轴肩半径增大,峰值温度升高,残余应力峰值增大,且高应力范围变宽;轴肩半径一定时,随着搅拌针长度增大,峰值温度升高,纵向残余应力值增大,焊件底部残余应力差值明显大于焊件上表面的应力差值。与搅拌针长度相比,轴肩尺寸对峰值温度和残余应力影响显著。