铝合金搅拌摩擦焊接微观组织演化数值模拟与力学性能计算

发布时间：2020-06-23 19:02

【摘要】：搅拌摩擦焊接是一种新型固态焊接工艺,由于其具有焊接温度低、焊接变形小、无污染等特点,针对轻质合金的焊接,如铝合金、镁合金等具有明显的优势,并已逐渐替代了很多工业应用中的传统焊接方式。如何能够有效的模拟搅拌摩擦焊接工艺过程,与试验结合,对焊接工艺优化具有重要意义。将搅拌摩擦焊接有限元模型与材料学和热力学相结合,为搅拌摩擦焊接过程—工艺参数—力学性能的一体化研究提供了思路。通过有效的数值手段仿真搅拌摩擦焊接过程可以免去大量重复的实验,降低研究成本,并且能够从中提炼出整个焊接过程在不同工况作用下展现的规律性和差异性。基于以上所述背景,通过建立数值模型的方式来研究搅拌摩擦焊接为处理实际焊接工艺提供了有针对性的参考和指导。本文针对广泛使用的6xxx系列铝合金建立了基于完全热力耦合模型的搅拌摩擦焊接微观组织—强度—形变硬化演变的计算模型,研究了搅拌摩擦焊接过程中的晶粒尺寸变化和析出相演化,以此为基础,对焊后力学性能和热处理影响进行了进一步研究。第一,通过有限元软件DEFORM-3D建立了基于自适应网格重剖分的搅拌摩擦焊接完全热力耦合模型。利用物质点追踪技术在焊接模拟过程中对截面构件在搅拌针附件的材料流向进行分析,预测焊接接头在截面上形成搅拌区的形貌,结合再结晶计算公式,并对不同焊接工况作用下的焊核区内发生再结晶的晶粒尺寸进行预测,同时对比了不同焊接工况作用下沿构件薄板厚度方向计算再结晶得到的晶粒尺寸大小。第二,以过饱和固溶体在温度变化作用下发生相变以及第二相析出生长动力学行为为理论基础,建立了 6xxx系铝合金的微观组织演化模型。通过计算过饱和固溶体在等温以及非等温时效过程中发生的沉淀演化机制,得到等温及非等温过程中任意时刻的微观组织演化参数,与实验测量的结果相对比能够验证该计算模型算法的有效性。结合之前建立的搅拌摩擦焊接热力耦合模型对不同焊接工况进行计算,提取出温度历史计算了6005A-T6铝合金在搅拌摩擦焊接中的析出相演化过程。第三,进一步考虑位错运动与第二相粒子的交互作用,建立了 6xxx系铝合金的屈服强度和形变硬化的计算模型。通过与实验观测值作对比,能够验证过饱和固溶体在等温及非等温时效过程中出现的屈服强度和形变硬化参数演化的准确性,并计算了6005A-T6铝合金在搅拌摩擦焊接不同焊接工况下接头的强度演变过程,得到了接头初始强度和形变硬化参数沿截面方向的分布,从静态屈服强度和动态形变硬化两方面解释了焊后接头截面出现强度最弱区域的原因。最后,联立微观组织演化和初始屈服强度计算模型,进一步研究焊后人工时效对搅拌摩擦焊接构件微观组织演化和力学性能的影响机理,对6005A-T6焊接接头采用不同时长和不同温度组合的焊后人工时效的演变机制进行分析,得到不同组合焊后时效的接头粒子分布形貌。另外,研究了几种常用6xxx系铝合金在主要溶质成分范围内随机分布的差异性,并得到不同种类接头的焊后截面特性分布区间范围。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG453.9
【图文】：

示意图,搅拌摩擦焊接,设备,示意图

一种基于固相连接技术的焊接工艺［１］。这项工艺技术将旋转的搅拌头（Ｗｅｌｄｉｎｇ邋ｔｏｏｌ）插入逡逑待焊区域，焊接构件受到摩擦生热以及塑性变形生热，导致焊接区域发生软化，在热和逡逑塑性流动的共同作用下，形成可靠的焊接接头，如图１所示。在搅拌摩擦焊接过程中，逡逑焊接区域的材料始终处于固相状态并未发生熔化，避免了传统焊接工艺中发生的焊接缺逡逑陷Ｈ，如在传统熔焊过程中容易导致焊接前后体积发生变化、气体溶解度的改变等Ｗ。逡逑搅拌摩擦焊接中，较低的焊接温度使焊接构件具有较小的焊接变形以及焊后残余应力，逡逑并提高焊接接头的疲劳表现＋９］。另外，焊接过程中构件受到搅拌头的作用力，搅拌摩擦逡逑焊接可以认为是一个完全机械化加工过程［ＩＣ）］，因此，相较于电弧焊等焊接工艺，搅拌摩逡逑擦焊接大大降低了操作技术需求。此外，搅拌摩擦焊接能够大量减少或是完全清除焊接逡逑过程中带来的烟尘并且大大降低了能耗以及对环境造成的影响［１Ｍ６］。逡逑ＢＳ，逦－＃邋；逦Ａ＼ｉａｌ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑—邋Ｉ逦

特性图,焊接构件,焊接根部,作用区域

搅拌摩擦焊接接头的成型包含了搅拌头与焊接构件之间的机械运动所形成的复杂逡逑热力作用过程，焊接接头在微观结构上展现出明显的不均匀性。从焊接构件受搅拌头作逡逑用以及焊接构件材料的流向角度来看，如图１．２所展示［１８］，在接头范围内焊接构件可再逡逑细划分为三个不同的区域：１．搅拌头轴肩影响区域（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ邋ａｆｆｅｃｔｅｄ邋ｚｏｎｅ）；邋２．搜拌针逡逑作用区域（Ｐｉｎ邋ａｆｆｅｃｔｅｄ邋ｚｏｎｅ）；邋３．焊接根部区域（Ｗｅｌｄ邋ｂｕｔｔ邋ｚｏｎｅ）。逡逑－２－逡逑

【参考文献】