5052和6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺及仿真分析

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ANSYSWorkbench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。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 搅拌摩擦焊接概述

1．2．1 搅拌摩擦焊接原理及特点

1．2．2 铝合金搅拌摩擦焊接工艺

1．2．3 FSW接头分区

1．3 焊接残余应力

1．3．1 焊接残余应力的概念

1．3．2 焊接残余应力研究现状

1．4 搅拌摩擦焊接温度场模拟

1．5 搅拌摩擦焊研究现状

1．5．1 FSW工艺研究现状

1．5．2 FSW接头性能研究现状

1．6 选题意义和研究主要内容

第2章 试验方法与过程

2．1 试验材料

2．2 试验设备与测试方法

2．2．1 焊接设备与焊接工艺试验

2．2．2 焊缝检测与常规力学性能试验

2．2．3 硬度试验与微观组织观察

2．2．4 焊接残余应力测试方法

第3章 两种铝合金搅拌摩擦焊接头性能与组织

3．1 焊接接头成形及缺陷分析

3．1．1 FSW接头焊缝表面成形

3．1．2 FSW接头缺陷分析

3．2 FSW接头组织观察与分析

3．2．1 FSW接头宏观形貌分析

3．2．2 FSW接头微观形貌分析

3．3 FSW接头常规力学性能

3．3．1 FSW接头拉伸试验结果

3．3．2 FSW接头弯曲试验结果

3．3．3 FSW接头硬度试验结果

3．4 FSW接头残余应力结果

3．4．1 应力释放系数的标定

3．4．2 残余应力测试

3．4．3 焊接工艺对FSW残余应力的影响

3．5 本章小结

第4章 铝合金搅拌摩擦焊仿真分析

4．1 ANSYS Workbench平台介绍

4．2 搅拌摩擦焊的ANSYS热-应力分析原理

4．2．1 ANSYS热力分析原理

4．2．2 ANSYS热力耦合

4．2．3 搅拌摩擦焊微分方程

4．2．4 搅拌摩擦焊热源模型

4．3 FSW热-应力耦合计算与分析

4．3．1 创建分析项目

4．3．2 材料定义

4．3．3 建立和模型

4．3．4 网格与结构

4．3．5 边界条件

4．3．6 热源加载

4．3．7 温度场结果与分析

4．3．8 应力场结果与分析

4．4 焊接参数对FSW焊接过程中温度场及残余应力的影响

4．4．1 搅拌头转速对搅拌摩擦焊接的影响

4．4．2 焊接速度对搅拌摩擦焊接的影响

4．5 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文