差厚铝合金板搅拌摩擦焊的数值模拟

发布时间：2019-11-22 13:59

【摘要】：搅拌摩擦焊是一种新型的固相焊接工艺,且本身兼有普通焊接技术优点。焊接传热过程与温度场分布是搅拌摩擦焊技术重要的研究领域之一,其对研究残余应力和焊接变形均有重要影响。而焊接冷却后存在的残余应力对构件可靠性,特别是疲劳寿命、尺寸稳定性和抗腐蚀性能等都具有十分重要价值。本文采用有限元分析并通过控制变量法,研究差厚铝合金板搅拌摩擦焊温度场及残余应力的分布情况。本文根据搅拌摩擦焊特点,考虑米塞斯屈服准则和轴肩及搅拌针产热,以厚度为2mm和4mm的差厚6061-T6铝合金板材为研究对象,基于ABAQUS有限元分析软件,通过建立热源模型,对搅拌摩擦焊温度场与残余应力模拟分析。研究结果表明:2mm薄板峰值温度在446℃左右,4mm薄板峰值温度在441℃左右,温度场分布呈不对称椭圆状;差厚板残余应力主要表现形式是纵向残余应力,且在垂直焊缝方向上呈M形双峰分布,纵向残余应力先增大后减小,焊缝中心线附近区域的纵向残余应力是拉伸应力,并向母材边缘逐渐转化为压缩应力,横向应力表现为拉应力,但数值远低于纵向应力;且4mm薄板残余拉应力峰值和分布范围都比2mm薄板要小。其次,利用所建数值模型,通过控制变量法,分别依次改变搅拌头转动速度、焊接速度以及搅拌头直径,对搅拌摩擦焊温度场和残余应力的影响规律进行研究。结果表明在控制变量法下:随着旋转速度的增大,差厚铝合金板工件峰值温度升高,4mm薄板较2mm薄板的高温区域温度场范围大,焊缝中心两侧的差厚板残余应力并不相同,差厚铝合金板两侧残余应力峰值均与搅拌头旋转速度成反比,且2mm薄板的纵向残余应力峰值大于4mm薄板。各点温度在不同焊接速度下均经历一个峰值,且峰值温度大小与焊接速度成反比;纵向残余应力峰值出现在搅拌区域的边缘,随着焊接速度的增大,差厚板纵向残余应力均相对增大。而2mm薄板峰值残余应力略大于4mm薄板。差厚铝合金板温度场与轴肩直径呈正比,且4mm薄板比2mm薄板的高温区域大。随着轴肩直径的增加,差厚板的低温区域逐渐增大,同时随着轴肩直径增大,纵向残余应力峰值也增大。课题研究对指导差厚铝合金板搅拌摩擦焊接工艺参数的科学制定;以及对进一步的实验验证,节约实验成本,均有着重要的意义。
【图文】：

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摩擦焊接冷却后存在的残余应力影响的构寸稳定性和抗腐蚀性能等都具有十分重要差厚铝合金板搅拌摩擦焊接的参数；以及均有重要的意义。概述原理FSW）过程中，搅拌头（带有特殊柱形或，焊件周围固定防止移动。搅拌头高速旋拌头的移动，从而促使搅拌头附近的区域的最高稳定温度一直小于金属材料熔点。当面的热塑化材料由于在轴肩和焊件之间产发生迁移，从轴肩前部转移至后部，并形焊接部件如图 1-1 所示。

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重庆交通大学硕士学位论文船舶制造领域在国外船舶制造领域上使搅拌摩擦焊投入深入的研究和广泛的应用，尤板大型结构型材方面的典型例子，当属 1996 年，挪威 MARINE 公司顺SW 技术应用在铝合金快速舰船的甲板、侧板等结构件制造中。日本及挪多国家船舶制造公司均采用了搅拌摩擦焊技术焊接，不仅使制造时的装便精确，，同时还能节省成品时间。图 1-2 所示为某船舶制造商采用 FSW压型材焊接成的甲板。在国内目前，华东船舶工业学院在内的一些高校也在研究搅拌摩擦焊接运用到船舶甲板上的工艺[22,23]，相信未来几年内，焊在国内的船舶制造业前景非常可观。
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG453.9

【参考文献】