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

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。

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1研究背景

1．2搅拌摩擦焊接研究进展

1．2．1 搅拌摩擦焊接头微观组织

1．2．2搅拌摩擦焊接热力耦合模型研究

1．3铝合金析出相特性

1．3．1 铝合金析出沉淀及溶质集群

1．3．2铝合金加工硬化物理本质

1．4本文主要研究内容

2搅拌摩擦焊接材料流动以及晶粒生长预测

2．1 模型描述

2．1．1 本构方程

2．1．2热传导方程

2．1．3有限元模型及焊接工况

2．2温度测试试验与模型验证

2．3材料流动形式

2．4晶粒预测

2．5本章小结

3铝合金搅拌摩擦焊接接头的微观组织演化

3．1微观组织模型

3．1．1生长速率

3．1．2形核率

3．1．3连续性方程

3．1．4离散方程

3．1．5模型边界条件及补充

3．2 微观组织模型等温和非等温应用

3．2．1等温人工时效

3．2．2非等温过程

3．3搅拌摩擦焊接接头的微观组织演化

3．3．1焊接构件母材组织模型定义

3．3．2焊接接头微观组织演变

3．4本章小结

4搅拌摩擦焊接接头力学性能预测

4．1 力学性能模型与实验验证

4．1．1初始屈服强度

4．1．2自然时效模型

4．1．3 6082屈服强度模型及验证

4．1．4 6061铝合金焊接试验及强度验证

4．2形变硬化模型

4．2．1铝合金形变硬化行为

4．2．2位错存储

4．2．3动态回复率

4．2．4广义KME模型

4．3强度与形变硬化模型在搅拌摩擦焊接的应用

4．3．1等温热处理过程

4．3．2搅拌摩擦焊接接头强度预测

4．4本章小结

5搅拌摩擦焊接焊后时效与合金成分影响分析

5．1焊后人工时效

5．1．1 140℃人工时效

5．1．2 160℃人工时效

5．1．3 180℃人工时效

5．1．4 200℃人工时效

5．2铝合金固溶元素成分影响

5．3本章小结

6结论与展望

6．1 结论

6．2创新点摘要

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介