5052和6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺及仿真分析

发布时间：2017-07-29 09:35

  本文关键词：5052和6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺及仿真分析

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【摘要】：搅拌摩擦焊技术是最具有潜力的固相焊接方法之一。近些年来,搅拌摩擦焊技术发展迅速,在航空、船舶、核工业和机车等很多领域获得了广泛运用。论文针对某高速列车用3mm的5052和4mm的6061铝合金薄板进行了搅拌摩擦焊接研究。首先,选定了0.3 mm的压入量,采用多组焊接工艺参数进行搅拌摩擦焊接。针对所有的FSW接头做了常规力学性能试验,并观察了微观组织。结果表明,针对3mm的5052铝合金薄板,当搅拌头转速为R=1000r/min.焊接速度为v=100mm/min时接头综合性能较佳；4mm的6061铝合金薄板在搅拌头转速R=800r/min、焊接速度为v=120mm/min时接头性能较佳；最高抗拉强度均能达到母材强度的约90%；焊缝区硬度均低于母材,热机影响区硬度最低。同时,选择两种铝合金材料的接头各五组测试其残余应力,分析搅拌摩擦焊工艺参数对接头残余应力分布的影响。搅拌摩擦焊焊接接头残余应力并非对称分布,焊缝区前进侧残余应力值要比后退侧残余应力值高；FSW接头的纵向残余应力值比横向残余应力值大得多；搅拌头转速越快,残余应力越大；随着焊接速度增大,残余应力水平变高。针对4mm的6061铝合金搅拌摩擦建立了一个合理的热输入模型,运用ANSYS Workbench仿真平台进行有限元分析,计算搅拌摩擦焊接的温度场及应力场分布。分析不同焊接速度和搅拌头旋转速度对温度场及应力场分布的影响,计算结果与试验结果基本一致。结果表明,轴肩影响区的最高温度约320℃,与实测结果相符,验证了该热源模型时合理的；焊缝区最高温度约550℃；铝合金薄板在厚度方向上的温度差异不明显；残余应力最大值出现在焊缝中心,计算的应力值比实测值稍低,该焊接模型仍需进一步优化。
【关键词】：搅拌摩擦焊 铝合金 焊接工艺 残余应力 焊接仿真
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-21
• 1.1 引言12-13
• 1.2 搅拌摩擦焊接概述13-16
• 1.2.1 搅拌摩擦焊接原理及特点13-14
• 1.2.2 铝合金搅拌摩擦焊接工艺14-15
• 1.2.3 FSW接头分区15-16
• 1.3 焊接残余应力16-17
• 1.3.1 焊接残余应力的概念16
• 1.3.2 焊接残余应力研究现状16-17
• 1.4 搅拌摩擦焊接温度场模拟17-18
• 1.5 搅拌摩擦焊研究现状18-20
• 1.5.1 FSW工艺研究现状19
• 1.5.2 FSW接头性能研究现状19-20
• 1.6 选题意义和研究主要内容20-21
• 第2章 试验方法与过程21-28
• 2.1 试验材料21
• 2.2 试验设备与测试方法21-28
• 2.2.1 焊接设备与焊接工艺试验21-24
• 2.2.2 焊缝检测与常规力学性能试验24-25
• 2.2.3 硬度试验与微观组织观察25-26
• 2.2.4 焊接残余应力测试方法26-28
• 第3章 两种铝合金搅拌摩擦焊接头性能与组织28-52
• 3.1 焊接接头成形及缺陷分析28-31
• 3.1.1 FSW接头焊缝表面成形28-30
• 3.1.2 FSW接头缺陷分析30-31
• 3.2 FSW接头组织观察与分析31-33
• 3.2.1 FSW接头宏观形貌分析31-32
• 3.2.2 FSW接头微观形貌分析32-33
• 3.3 FSW接头常规力学性能33-43
• 3.3.1 FSW接头拉伸试验结果34-39
• 3.3.2 FSW接头弯曲试验结果39
• 3.3.3 FSW接头硬度试验结果39-43
• 3.4 FSW接头残余应力结果43-50
• 3.4.1 应力释放系数的标定43-45
• 3.4.2 残余应力测试45-48
• 3.4.3 焊接工艺对FSW残余应力的影响48-50
• 3.5 本章小结50-52
• 第4章 铝合金搅拌摩擦焊仿真分析52-73
• 4.1 ANSYS Workbench平台介绍52
• 4.2 搅拌摩擦焊的ANSYS热-应力分析原理52-58
• 4.2.1 ANSYS热力分析原理52-54
• 4.2.2 ANSYS热力耦合54
• 4.2.3 搅拌摩擦焊微分方程54-55
• 4.2.4 搅拌摩擦焊热源模型55-58
• 4.3 FSW热-应力耦合计算与分析58-68
• 4.3.1 创建分析项目58-59
• 4.3.2 材料定义59
• 4.3.3 建立和模型59-60
• 4.3.4 网格与结构60-61
• 4.3.5 边界条件61
• 4.3.6 热源加载61-62
• 4.3.7 温度场结果与分析62-66
• 4.3.8 应力场结果与分析66-68
• 4.4 焊接参数对FSW焊接过程中温度场及残余应力的影响68-72
• 4.4.1 搅拌头转速对搅拌摩擦焊接的影响69-70
• 4.4.2 焊接速度对搅拌摩擦焊接的影响70-72
• 4.5 本章小结72-73
• 结论73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 攻读硕士学位期间发表的论文79

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本文编号：588538