铝合金搅拌摩擦焊接头残余应力测试及数值模拟

摘要

搅拌摩擦焊的发明进一步拓宽了铝合金的应用前景，由于铝合金搅拌摩擦焊具有诸多如：焊后形变小、污染少、接头力学性能好等优良的特点，因而，铝合金搅拌摩擦焊在三航领域、轨道车辆以及汽车制造等工业生产中得到了广泛的应用并取得了令人瞩目的成绩。一般来说，对中厚板进行搅拌摩擦焊生产加工时，双面搅拌摩擦焊要比单面搅拌摩擦焊更具性价比，因此，对双面搅拌摩擦焊的研究就具有很高的实际意义。
　　铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的残余应力虽然要比铝合金的融化焊小很多，但由于残余应力对接头的使用性能有极大的影响，因此，对其接头残余应力的研究是非常有必要且很有意义的。
　　本文选用5mm厚度的5A15铝合金平板作为实验对象，在最优参数下分别对其进行单面搅拌摩擦焊和两种双面搅拌摩擦焊的实验。对三种焊接试板分别取试样进行上中下分层显微硬度分析，发现三种搅拌摩擦焊方法所得接头的显微硬度沿垂直焊缝方向都呈现出“W”型分布规律，上中下三层的显微硬度在整体上虽略有差异，但并不离散；不同区域显微硬度虽有高有低，但能平滑过渡。
　　使用小孔法对三种焊接方法的试板分别进行残余应力的测量实验，对结果进行分析，发现所得三组试板的纵向残余应力都比横向残余应力大很多，但测得残余应力的最大值仅为130.6MPa为母材屈服强度的41.5％，要低于铝合金熔化焊接头的残余应力值。
　　同时，本文还分别建立了单面焊和双面焊的三维数值分析模型，先对两种搅拌摩擦焊的温度场进行了数值模拟，并把温度场作为力学分析的边界条件之一耦合到应力分析模型中；同时在模型中对搅拌摩擦焊的热输入和散热情况进行了比较全面的考虑，最后获得的温度场云图、温度循环曲线以及残余应力云图都能较好的反应实际规律。

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第1章 绪 论

1.1引言

1.2搅拌摩擦焊概况

1.3搅拌摩擦焊热-力过程研究现状

1.4选题背景和意义

1.5本课题研究内容

第2章 实验材料及实验方法、设备的选择

2.1实验材料的选择

2.2搅拌摩擦焊实验设备的选择

2.3搅拌摩擦焊焊接夹具的设计

2.4搅拌头的设计

2.5 残余应力测试方法及设备

2.6 搅拌摩擦焊焊缝材料显微硬度实验

2.7 数值模拟硬件及软件平台

2.8 本章小结

第3章 搅拌摩擦焊实验及接头显微硬度分析

3.1引言

3.2单面搅拌摩擦焊实验

3.3双面搅拌摩擦焊实验

3.4搅拌摩擦焊焊接头的显微硬度分析

3.5本章小结

第4章 搅拌摩擦焊残余应力的测试

4.1引言

4.2小孔法原理简介

4.3残余应力的测试过程

4.4残余应力的计算方法

4.5实验结果及讨论

4.6 本章小结

第5章 搅拌摩擦焊热力过程的数值模拟

5.1引言

5.2建立搅拌摩擦焊数值分析模型的理论依据

5.3搅拌摩擦焊数值模拟三维模型的建立

5.4 搅拌摩擦焊数值模拟的过程

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢