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。

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.

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。

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。

A Geometric Model of Multiaxial Warp-knitted Preform for Composite Reinforcement

A new geometric model of Multiaxial Warp-Knitted (MWK) performs, which is based on the experimental observations and analysis of basic stitch, is developed to relate the geometric parameters and process variables. The fiber volume fraction and fibre orientation of MWK reinforced composites are described in terms of structural and processing parameters in the model. And this model provides a basis for the prediction of mechanical behavior of the MWK reinforced composites.

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。

工艺参数对摩擦叠焊单元成形过程的影响

基于摩擦焊技术特点,研究摩擦叠焊单元成形工艺,分析转速、进给速度和轴向压力这三个主要工艺参数对摩擦叠焊单元成形过程的影响。结果表明:焊接过程中选用高转速,可以显著提高产热速率,填充材料更容易达到塑性状态而与预制孔侧壁紧密结合,在与转速匹配较好的进给速度和轴向压力范围内,选用较高的进给速度和轴向压力更容易获得质量优异的接头。

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。

A Study on the Tensile Properties of the MWK Structures for Composite Reinforcement

In this paper, the tensile properties of the MWK structures produced with different basic stitches for composite reinforcement were experimentally studied. The results show that the MWK structures with the double loop pillar stitches have better mechanical properties.

单针床氨纶弹力经编毛圈织物的探讨

单针床氨纶弹力经编毛圈织物的编织，至少要使用三把梳栉。机后两把流栉为地梳栉，机前一把梳栉为毛圈梳栉，并且氨纶弹性纱线应穿在后梳栉上。地组织必须采用针后移针与毛圈沉降片横移同向的经平组织，毛圈组织应采用编链组织。