静轴肩摩擦搅拌焊温度场仿真分析与参数优化

为了解决非刚性支撑条件下传统搅拌头易陷入被焊接板材而导致焊接失败的问题,设计研发了静轴肩焊接结构。通过建立有限元仿真计算模型,并使用热红外成像仪对焊接表面温度进行实时监测,分析不同工艺参数下静轴肩摩擦搅拌焊焊接过程中的温度场变化情况。使用设计研发的静轴肩摩擦搅拌焊进行现场试验并对完成焊接表面无缺陷的焊缝与母材进行拉伸试验对比,检测其焊缝机械强度,并对断口进行微观组织分析。结果表明:在使用静轴肩搅拌头焊接过程中,产热量主要来源于搅拌针轴肩的摩擦生热和搅拌针端部的摩擦生热,搅拌针的侧面摩擦生热和静轴肩的摩擦生热占比较小;对产热量影响较大的是主轴压力和主轴转速,C轴转速对产热量影响不大;在主轴压力为2940~3430 N,主轴转速为1000 r/min,C轴转速为0.05 r/min的工艺参数下,完成焊接的焊缝表面光滑无飞边,内部无沟槽隧道缺陷,焊缝抗拉性能达到母材的71.5%左右;焊缝断口存在分层现象,靠近焊接表面的上层呈脆性断裂特性,下层呈延性断裂特性,与母材相比,焊缝试样的延伸率和抗拉强度均有所降低。

轴肩型面对角接接头静轴肩搅拌摩擦焊缝成形的影响

设计了钝角与圆角两种型面的静轴肩搅拌工具,通过采用7A52与7B52异种材料进行试验,分析两种搅拌工具作用下焊缝成形和材料流动特点,进而分析对不同焊接参数(焊接转速、焊接速度、压入量)对焊缝成形的影响。结果表明,前进侧材料向下流动在顶部形成瞬时空腔,圆角型面轴肩有利于焊缝顶部材料补给前进侧的空腔,在极小压入量0.05mm、焊接转速1000r/mm、焊接速度100~200mm/min范围内均可获得表面光洁、无缺陷的接头;钝角型面轴肩由于不利于补给前进侧的空腔,在前进侧顶部与顶角位置产生缺陷,即使改变工艺参数也无法消除顶角缺陷。

T形接头角接静轴肩搅拌摩擦焊三维流动特征

在T形接头横截面方向预置0.1 mm铜箔作为示踪材料,进行了角接静轴肩搅拌摩擦焊,焊后对T形接头角焊缝进行X-ray 2D透射和X-ray 3D扫描,得到了角焊缝示踪材料的2D流场和3D流场.在前进侧热塑性材料主要以摩擦剪切为主,材料流动主要向焊接方向流动,并流向前进侧后方,后退侧材料主要以挤压为主,由于T接搅拌针螺纹的存在,使得材料整体向后退侧下方流动.同时发现,在T接静轴肩后沿附近下方存在示踪材料“堆积区”,表明T接静轴肩对附近的材料塑性流动存在一定的阻碍作用.根据所获得的观察结果,建立了T形接头角焊缝的三维流动主要特征模型.

铝合金型材的静轴肩倾斜搅拌摩擦焊接头性能

采用静止轴肩搅拌摩擦焊装置对6005A铝合金型材进行焊接,并对焊后接头进行拉伸与弯曲的检测,观测了焊缝与拉伸断口横截面组织,结果表明:静轴肩焊缝表面平整无弧纹;倾斜焊接可避免焊缝表面沟槽;焊接速率1 m/min、转速2100 r/min时,接头的抗拉强度达到母材的73%,屈服强度达到母材的55%;转速1700 r/min、1800 r/min时,试样背弯出现裂纹,随着转速的升高,裂纹消失。焊缝横截面出现S曲线,试样断裂机制为韧性断裂。随着转速提高,组织的细化程度与分布均匀程度升高。

7050-T7451铝合金静轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能研究

采用SSFSW技术成功实现了7050-T7451高强铝合金的焊接。对该接头的外观形貌、显微组织、硬度分布及力学性能分别进行了试验研究。结果表明,与常规FSW相比,SSFSW的接头成形美观,表面光滑,焊缝无减薄现象;焊缝组织结构也有明显的不同,热影响区范围明显窄小,前进侧TMAZ只有60μm;接头硬度呈典型的"W"形分布,最低硬度出现在靠近焊核的热影响区附近,显微硬度为128 HV;接头的抗拉强度为487 MPa,达到了母材的91%,力学性能良好。断裂发生在热影响区,为微孔聚集型断裂。

热处理对静轴肩搅拌摩擦增材制造2024铝合金组织的影响

采用静轴肩搅拌摩擦增材制造方法制备了2024铝合金增材块体,对块体进行了后续热处理,用OM观察了显微组织,用XRD及TEM分析了第二相含量及形貌特征。结合显微硬度,分析了热处理对增材块体组织及性能的影响。结果表明:增材态块体组织为再结晶的细小等轴晶,沿增材厚度方向由底部向顶部晶粒尺寸逐渐减小,第二相含量逐渐增多,显微硬度逐渐增大,最大硬度值为99 HV,平均硬度值为86.5 HV。经热处理后,增材块体中重新析出大量S′相,析出过程为α(Al)→S′(Al_(2)CuMg);第二相呈棒状和椭球状,弥散分布于α(Al)基体中,新析出的S′相与基体呈共格关系;增材块体的显微硬度明显增大,且沿厚度方向分布均匀,平均硬度值达135 HV。显微硬度明显增大的原因是热处理使增材块体中析出了细小的第二相,产生了第二相强化。

静轴肩搅拌摩擦增材制造2024铝合金的组织特征

采用静轴肩搅拌摩擦增材制造(FSAM)方法制备2024铝合金增材,用OM及SEM观察增材的显微组织,用XRD及TEM分析增材的第二相含量及形貌特征,结合增材的显微硬度,研究静轴肩FSAM材料的强化机理。结果表明:增材组织为再结晶的细小等轴晶,晶粒尺寸由底部向顶部逐渐减小,增材中的第二相发生重溶,含量较基材明显减少,且第二相含量由底部向顶部逐渐增多。增材的显微硬度由底部向顶部逐渐增大,最大硬度值为99HV,低于基材的,这是由于FSAM使增材中的第二相发生重溶,且第二相与基体的共格关系变化,共格应变减小,增材组织发生过时效。

工艺参数对铝合金静轴肩搅拌摩擦焊焊缝成形的影响

采用自主设计的静轴肩搅拌摩擦焊设备对3mm厚2024铝合金进行了搭接试验,研究了焊接速度及搅拌头旋转速度对焊缝成形的影响规律。研究表明,工艺参数不当时,焊核会形成未结合的冶金界面。焊缝表面缺陷与转移至焊缝上部的金属量有关。随着焊接速度的增加或者旋转速度的减小,焊核区宽度与界面迁移高度减小,界面迁移深度(水平迁移距离)增大。

2219铝合金机器人静轴肩搅拌摩擦焊工艺研究

以焊接厚度为5mm的2219-T87铝合金为对象,基于库卡重载工业机器人系统,自主设计了静轴肩搅拌头,进行了焊接工艺试验,研究了工艺参数对焊缝成形、焊接缺陷、接头组织及性能的影响,优化获取了焊接工艺规范。结果表明,设计的静轴肩搅拌头匹配优化的工艺参数能稳定实现2219铝合金静轴肩搅拌摩擦焊接,焊缝表面光滑平整,内部无缺陷,在搅拌针转速1200r/min、焊速190mm/min时,接头抗拉强度可达333MPa、延伸率5%。研究结果为2219铝合金静轴肩搅拌摩擦焊工程应用奠定基础。

6005A铝合金静轴肩搅拌摩擦焊接头性能研究

通过对列车壁板6005A型材进行静轴肩搅拌摩擦焊试验,获得质量较高的搅拌摩擦焊焊缝,对其进行力学检测与微观组织观测,试验结果表明:当焊速达到1 000 mm/min时,接头抗拉强度保持在母材的70%~73%之间,屈服强度是母材的53%~56%,弯曲检测中,当转速较低时,背弯检测出现裂纹,随着转速升高裂纹消失。焊缝横截面组织均匀,但仍有s型曲线存在,焊缝表面平整,无飞边等缺陷。

静轴肩搅拌摩擦焊在轨道车辆车体上的工程应用研究

阐述了静轴肩搅拌摩擦焊在轨道车辆铝合金车体结构上的应用前景,但因其搅拌针与工件刚性接触,且无填充金属,工件的装配精度直接影响焊接质量,尤其对于车体占比70%以上的双层型材对搭接焊接结构,通过试验手段,探明型材装配的间隙容限和错边容限,从而保证产品质量。

搅拌针形状对6082-T6铝合金静轴肩搅拌摩擦焊接头组织与性能的影响

采用4种形状的搅拌针对3 mm厚的6082-T6铝合金板进行静轴肩搅拌摩擦焊焊接(SSFSW),研究了不同形状搅拌针焊接接头的宏观形貌、微观形貌及力学性能,以及搅拌针的产热。结果表明,三角形搅拌针与四边形搅拌针产热较低,动静体积比较大,接头处塑性金属流动性强,焊接过程中焊缝顶部与底部温差较小,可以形成无缺陷的SSFSW接头;XRD分析表明,焊核区无新的物相产生,三角形搅拌针焊接接头焊核区微晶尺寸最小;各接头的硬度均呈“U”形分布,最低点位于后退侧热机影响区与焊核区交界处,三角形搅拌针接头的硬度整体略高;三角形搅拌针焊接接头的抗拉强度与断后伸长率最高,分别为202.9 MPa和3.8%;拉伸断口形貌分析表明,所有接头均为韧性断裂。

T型接头角接静轴肩搅拌摩擦焊缺陷研究

通过一系列工艺参数试验,获得无缺陷的T型接头焊缝。针对缺陷的形成,重点分析三种不同的搅拌针,即圆锥光针、圆锥螺纹针和短圆柱光针,对6 mm厚的6082-T6铝合金T型接头从内角角焊缝进行静轴肩搅拌摩擦焊接,并分析对应的焊缝产生的宏观缺陷。发现角接静轴肩搅拌摩擦焊容易在前进侧产生孔洞或沟槽缺陷。进一步分析发现,缺陷的产生受T接搅拌针和T接静轴肩的影响,在搅拌头周围,受T接静轴肩和T接搅拌针上部的影响,会形成搅拌针上部塑性流动区域,受搅拌针下部的影响,会形成搅拌针下部塑性流动区域.通过研究提出:搅拌针下部的孔洞缺陷可以通过采用螺纹的锥形搅拌针进行消除。而搅拌针上部的孔洞缺陷受到90°的T接静轴肩几何形状的影响流动能力较弱,通过倾角的改变可获得无缺陷的焊缝,并且对其缺陷形成机制的物理模型进行分析。

静止轴肩搅拌摩擦焊技术研究现状

静轴肩搅拌摩擦焊接技术是在传统搅拌摩擦焊的基础上研究的一种新型焊接技术,它不仅继承了传统搅拌摩擦焊接的优点,并能有效解决传统搅拌摩擦焊存在的沿板厚方向温度梯度大、易产生飞边等问题。本文综述了静轴肩搅拌工具、铝合金与镁合金的同种及异种材料和其他材料的静轴肩搅拌摩擦焊研究现状。

搅拌摩擦焊技术及其应用发展

简单介绍了搅拌摩擦焊FSW的技术特征,对当前搅拌摩擦焊FSW技术的主要应用领域进行了概述,着重对近些年搅拌摩擦焊的技术发展和最新应用进展进行介绍,同时对搅拌摩擦焊的应用前景进行了展望。

搅拌摩擦焊技术发展现状与趋势

搅拌摩擦焊接技术自发明以来,倍受国内外学术界与工程界的高度关注,历经20余年的发展和应用推广,作为一种先进的绿色焊接制造技术,搅拌摩擦焊已经成功应用于航空航天、舰船、列车、汽车、电力电子等诸多工业领域,取得了显著的社会经济效益。在强烈的市场需求牵引推动下,搅拌摩擦焊技术与装备也不断创新发展,基于常规搅拌摩擦焊原理衍生的新方法、新技术、新装备不断涌现,各具优势,呈现出百花齐放之发展态势。文中重点介绍了搅拌摩擦焊的发展现状及当前发展的主要技术方法,如搅拌摩擦点焊、静轴肩搅拌摩擦焊、双轴肩搅拌摩擦焊、流动摩擦焊接、机器人搅拌摩擦焊,并展望了搅拌摩擦焊技术发展趋势。

搅拌摩擦孔道加工技术发展及应用展望

搅拌摩擦孔道加工技术(FSCP)是一种直接在铝合金材料上加工成形内部通道的固相加工专利技术,可用于结构减重及内部液体流道成形等。介绍了FSCP技术专利的技术进展及英国焊接研究所采用静轴肩FSC技术制备铝合金液冷流道的加工技术原理及应用问题,通过分析焊接过程及X射线断层扫描检测表明:搅拌工具形状及搅拌工具旋转速度、焊接前进速度、轴向力等工艺因素是影响液冷通道成形的关键工艺因素,搅拌摩擦加工过程中搅拌工具对金属的搅拌、挤压及塑化流动使回退侧金属的截面呈现参差不齐的界面形状。

Fretting instability characteristics for gear shaft shoulder

In order to solve fretting instability problem of gear shaft shoulder due to torsional vibration in mechanical system, the mathematical model of fretting instability vibration of gear shaft shoulder was established by adopting the method of combining kinematics and tribology, and the numerical analysis was applied to the fretting instability mechanism of gear shaft shoulder by introducing the friction instability damping ratio. The numerical results show that the main factors causing the unstable and vibrating gear shaft shoulder are the large tightening torque and too large static friction coefficient. The reasonable values of the static friction coefficient, the amount of interference and tightening torque can effectively mitigate the fretting instability phenomenon of gear shaft shoulder. The experimental results verify that damping plays a significant role in eliminating the vibration of gear shaft control system.