鋁合金攪拌摩擦焊殘余應力檢測及數值模擬.pdf

1、攪拌摩擦焊(frictionstirwelding，FSW)是英國焊接研究所(TWI)于1991年針對鋁合金開發的一種先進的固相連接技術。與傳統的焊接方法相比具有優質、高效、低耗、變形小、無污染、成本低等特點。
　　 攪拌摩擦焊作為一種新型的固態焊接技術，還存在著許多問題需要更深入廣泛地研究，如材料的流動、溫度場、接頭的殘余應力等。目前國內外許多學者通過試驗手段及數值模擬方法對攪拌摩擦焊接熱過程及焊接殘余應力進行了許多研究，但針

2、對鋁合金薄板失穩變形的研究較少，因此通過試驗與數值模擬相結合的方法來研究鋁合金薄板攪拌摩擦焊接頭的殘余應力和失穩變形規律，對在大型鋁合金薄板結構制造中推廣和應用攪拌摩擦焊技術具有重要工程應用意義。
　　 本文采用盲孔法對3mmLY12鋁合金薄板在不同焊接參數下進行攪拌摩擦焊對接后的殘余應力進行了測量和分析。為了消除孔邊塑性變形對測量精度的影響，建立了三維有限元法模擬了應變釋放系數的測試試驗，使用基于孔邊形狀改變比能S的A、B系數

3、修正法對盲孔釋放系數進行修正。結果表明：接頭殘余應力呈不對稱分布，前進側應力高于返回側；縱向殘余應力總是高于橫向殘余應力，但是橫向殘余應力并非在零附近，而是有一定的大小，約為焊前母材強度的12.7％；在一定范圍內，攪拌摩擦焊接接頭殘余應力隨旋轉速度先增大后減小，隨下壓量和焊接速度的增加而增加。
　　 其次建立了三維有限元模型并分析攪拌摩擦焊過程中溫度場的分布。在溫度場模型中施加邊界條件，確定攪拌摩擦焊熱源模型，得到整個焊接過程中

4、的熱循環曲線，最高溫度值均在各自的高塑性溫度區間。最后采用間接熱耦合法把在溫度場中得到的熱載荷施加到構件模型中，獲得了薄板焊后的殘余應力及焊接熱彈塑性失穩變形分布特征。同時研究了焊接速度、旋轉速度等焊接參數對溫度分布及殘余應力分布的影響。模擬結果與相關實驗吻合良好。殘余應力計算分析表明，LY12鋁合金薄板攪拌摩擦焊對接接頭的縱向殘余應力數值較大，接近材料的屈服強度，與試驗測量值有較大差異。但基于殘余應力計算的固有應變法和間接熱耦合法得到