铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余变形的数值分析

大尺寸6056铝合金薄板经过搅拌摩擦焊接实验后出现了严重的面外变形,虽然变形程度小于熔化焊结果,但已经影响到被焊薄板的装配和使用.为详细研究和预测铝合金薄板在搅拌摩擦焊后的残余变形,以焊接实验条件为基础,建立了搅拌摩擦焊接三维有限元热力耦合分析模型.模型中涉及了利用搅拌头工作转矩计算热输入量、工件和卡具之间的接触热传导、随温度变化的材料模型,以及综合考虑搅拌头机械作用等工作.利用该模型可以得到不对称的纵向残余应力结果,残余变形的趋势在整块板上都与实验结果相同,而且变形量和实验测量值之间的误差在20%以内.

搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

随着数值模拟技术在搅拌摩擦焊接研究中的应用日益广泛,对模型本身的准确程度要求越来越高,因而针对数值分析模型的研究显得更有意义。通过分析搅拌摩擦焊接热力耦合计算方面的相关资料,结合实际开展的搅拌摩擦焊接试验以及试验过程中对部分物理量的测量和分析,建立更加完善的搅拌摩擦焊接数值模拟模型。对生热过程、材料模型、夹具约束以及搅拌头机械载荷作用都进行细致分析和探讨,在新模型中采用被焊材料的剪切极限作为生热驱动力,考虑被焊材料的力学性能随温度和温度历史发生变化,建立夹具和试板之间的接触关系,并在力学分析模型中将搅拌头机械载荷简化考虑。利用新建立的数值分析模型对铝合金薄板搅拌摩擦焊接过程进行模拟,得到和试验结果吻合较好的温度场、残余应力和变形结果。

搅拌摩擦焊接过程的试验测量及分析

通过设计一系列搅拌摩擦焊接试验,详细测量和分析焊接温度场分布、搅拌头机械载荷、残余应力和残余变形.试验发现,搅拌摩擦焊的温度测量结果的准确性取决于采样频率和热电偶的定位方法;搅拌头的机械载荷主要表现为下压力和扭矩,它们在准稳态焊接的条件下会保持稳定,但取值随焊接参数的变化而发生相应变化;焊接残余应力的主要成分是纵向应力,焊缝区域内呈现较高水平的拉应力,分布呈不对称的双峰特征;薄板的焊接变形具有马鞍形和反马鞍形两种形态,且变形程度受到薄板尺寸、旋转频率和焊接速度的影响.

搅拌头机械载荷在搅拌摩擦焊接中的作用的数值分析

利用数值模拟技术分析搅拌头机械载荷在焊接过程中的作用,通过对比只考虑热载荷、考虑热载荷和搅拌头的下压力,综合考虑热载荷、搅拌头下压力和工作扭矩三种条件下的应力、应变和变形,结果发现,搅拌头下压力使焊后残余应力值大幅下降:搅拌头的工作扭矩是焊后残余应力、应变不对称分布的重要影响因素;并且搅拌头机械载荷使得薄板焊后残余变形的模式发生了完全相反的变化,由不考虑搅拌头载荷时的马鞍状变成了反马鞍状.

搅拌摩擦焊应力变形有限元模拟的研究进展

搅拌摩擦焊因其独有的特点而被广泛应用于铝合金的焊接,虽然焊后残余应力和变形比普通熔化焊小,但它同样是一个不均匀的热过程,焊后残余应力和变形不可避免,而且部分试验已经显示出其残余应力和变形对结构尺寸精度和使用性能有显著影响,因此针对搅拌摩擦焊残余应力和变形的研究有重要的现实意义。除了实际的焊接和测量试验外,数值模拟技术是目前研究搅拌摩擦焊残余应力和变形的重要手段,也取得了很多可喜的研究结果。文中从焊接热载荷、搅拌头力作用、母材性能参数和卡具作用等方面较为详尽地总结了搅拌摩擦焊残余应力和变形数值模拟的研究进展和未来发展方向。