（材料加工工程专业论文）基于低强匹配理论的铝合金搅拌摩擦焊接头强化技术的研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 摘要：搅拌摩擦焊具有接头质量好，应力变形小，疲劳强度高等优点，在航空、 航天、船舶、车辆等载运工具制造技术领域已得到实际应用。但是热处理强化铝 合金搅拌摩擦焊接头的过时效软化问题仍比较突出，通过工艺试验的方法来改善 接头承载能力的效果还不明显。 本文采用数字图像相关技术对6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头的非均匀变 形行为及其机理进行了研究，对拉伸载荷作用下接头的力学响应进行了有限元模 拟，对接头几何尺寸对应力应变分布规律的影响进行了分析，为优化搅拌摩擦焊 工艺和改善接头承载能力提供了科学依据。 拉伸载荷作用下6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头表现出显著的非均匀变形 的特征，接头变形随载荷增大从均匀弹性变形向非均匀塑性变形转变，从接头前 进侧应变集中向后退侧应变集中转变，其非均匀变形的规律取决于接头各区屈服 强度大小及应变硬化能力的相对关系。 采用常规的硬度测试和先进的数字图像相关应变测试结果相结合的方法，可 以更为准确地确定搅拌摩擦焊接头各区的位置、尺寸、形状。基于等应力假设和 全场应变测试结果，可以获得接头各区局部的力学性能和应力应变关系。在此基 础上，实现了对6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸载荷作用下力学行为的有限 元模拟，模拟结果与实验结果具有较好的一致性。 采用有限元模拟的方法研究了接头各区几何尺寸形状变化对拉伸载荷作用 下6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头的力学响应。随着接头热影响区、热塑性影响 区和焊核区尺寸的减小，母材的拘束作用增强，热影响区、焊核区、热塑性影响 区的应力应变减小，接头承载能力得到提高。 关键词：铝合金；搅拌摩擦焊：焊接接头；力学响应；有限元模拟 分类号：t g 4 5 3 ；t g 4 5 7 a b s t r a c t a b s t r a c t ：f r i c t i o ns t i rw e l d i n gh a s m a n ya d v a n t a g e ss u c ha sg o o d j o i n tq u a l i t y ，1 0 w r e s l q u a ls t r e s sa n dd i s t o r t i o n ，a n dh i g h f a t i g u es t r e n g t h ，s oi th a sb e e nu s e di nt h e m a l l u f a c t u r i n go fa e r o n a u t i c s ，a s t r o n a u t i c s ，s h i p b u i l d i n ga n d v e h i c l e b u t ，t oh e a t t r e a t m e n ts t r e n g t h e n i n gt y p ea l u m i n u m a l l o y , o v e r - a g i n gs t i l li sas e v e r ep r o b l e mu pt o n o wa n d w e l d i n gp r o c e s s i n go p t i m i z a t i o nh a ss t i l ln o te v i d e n te f f e c tt ot h e 油p r o v e m e n t o fl o a db e a r i n ga b i l i t y i nt h l sp a p e r , t h e h e t e r o g e n e o u sd e f o r m a t i o nb e h a v i o ra n dm e c h a n i s mo ff r i c t i o ns t i r w e l d i n gjo i n to f6 0 61 - t 6a l u m i n u ma l l o y b yd i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n t h ef i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lr e s p o n s eo f j o i n tw a sc o n d u c t e du n d e rt e n s i l el o a d 1h ei n t l u e n c eo fjo i n t g e o m e t r yo nt h es t r e s sa n ds t r a i nw a sa n a l y z e d s c i e n c e f o u n d a t i o nw a se s t a b l i s h e df o rt h eo p t i m i z a t i o no ff r i c t i o ns t i rw e l d i n gp r o c e s s i n ga n d t h ei m p r o v e m e n to f t h el o a db e a r i n ga b i l i t yo f j o i n t t h ep o s i t i o na n dg e o m e t r yo fm i c r o z o n eo ff r i c t i o n s t i r w e l d i n gj o i n tc a l lb e c o r r e c t l yi d e n t i f i e db yt h ec o m b i n a t i o no ft r a d i t i o n a lm i c r oh a r d n e s sm e a s u r e m e n ta j l d s t r a i nm e a s u r e m e n to fa d v a n c e dd i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n b a s e do n i s o s t r e s sc o n d i t i o n a n dt h ef u l ls t a i nr e s u l t s ，t h el o c a lm e c h a n i c a l p r o p e r t i e sa n ds t r e s s t r a i nr e l a t i o nc a nb e o b t a i n e d t h ef i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lb e h a v i o ro fn j c t i o ns t i r ，e l d i n g j o i n to f6 0 61 一t 6a l u m i n u ma l l o yw a sr e a l i z e du n d e rt e n s i l el o a d t h er e s u i t so ft h e s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n th a v eg o o ds i m i l a r i t y t h ei n f l u e n c eo ft h eg e o m e t r yv a r i a t i o no fl o c a lm i c r o z o n eo f 衔c t i o ns t i r 、v e l d i n g jo i n to nm e c h a n i c a lr e s p o n s eu n d e rt e n s i l el o a dw a ss t u d i e d b yf i n i t e e l e m e n t s i m u l a t i o n w i t ht h ed e c r e a s e dt h es i z e so fh e a ta f f e c tz o n e ，t h e r m a l l y m e c h a n i c a l z o n e a n d w e l d i n gn u g g e t ，t h ec o n s t r a i n to ft h eb a s em a t e r i a li si n c r e a s e d ，t h es t r e s sa n ds n a i n o ft h eh e a ta f f e c tz o n e ，t h e r m a l l y - m e c h a n i c a lz o n e ，a n dw e l d i n gn u g g e ta r ed e c r e a s e d a sar e s u l t ，t h el o a db e a r i n ga b i l i t yo ff r i c t i o ns t i rw e l d i n gi si m p r o v e d k e y w o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ；f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ；w e l d i n gj o i n t ；m e c h a n i c a lr e s p o n s e ； f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n c l a s sn o ：t g 4 5 3 ：t g 4 5 7 致谢 本论文的工作是在我的导师徐向阳副教授的悉心指导下完成的，徐老师渊博的学识、 严谨的治学态度和科学的工作方法、敏锐的洞察力、良好的思维方式使我受益匪浅，并 将终身受用。在论文写作期间，徐老师始终对我给予细心的指导和不懈的支持，正是这 种无私的帮助与指导，使我取得了很大的进步，论文得以顺利的完成。求学期间，徐老 师不仅在学业上对我进行精心的指导，而且在思想上、生活上给了我无微不至的关怀， 在此衷心感谢徐老师一直以来对我的关心和指导。 在平时的生活、学习中，感谢邵世林师兄对我的帮助与支持! 在试验和论文工作中，付壶师兄、林基安、赵宁、田龙梅、张欣、蒲飞、孙帆师姐 等给了我很大的帮助，非常感谢! 非常感谢我的家人，你们一直是我的坚强后盾和精神支柱，在我的漫漫求学路中给 予我支持和关心，使我一步步地成长、进步，谢谢你们! 最后，向所有曾在学习、生活和工作中给予我关心、支持和帮助的同学和朋友们表 示衷心的感谢! 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 1 搅拌摩擦焊的研究进展 1 1 1 搅拌摩擦焊原理 1 、绪论 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，简称f s w ) 是固相连接工艺，它是针对 焊接性差的铝合金开发的一种新型焊接方法，通过高速旋转的搅拌头与被焊材料 表面问生成的摩擦热而实现材料连接【1 1 。实质是通过搅拌工具( 包括轴肩和搅拌 针) 与工件之间的摩擦产生足够的热量将两部分待焊工件连接起来的一种连接过 程。其原理如图1 1 所示。利用一个耐高温硬质材料制成一定形状的搅拌头，将 其端部的搅拌针缓慢旋入两被焊材料的接缝中，高速旋转搅拌头的轴肩与被焊材 料的表面接触时产生摩擦热使材料软化，在搅拌针的作用下周围金属产生塑性变 形，搅拌头沿着接缝运动时，利用搅拌针与工件材料间摩擦生热，不断软化、挤 压和搅拌前方的金属，在搅拌头已走过的部位金属逐渐冷却形成焊缝。 图1 1 搅拌摩擦焊原理示意图 f i 9 1 1s c h e m a t i co ff r i c t i o ns t i r sw e l d i n gp r i n c i p l e 1 1 2 搅拌摩擦焊接头组织结构 搅拌头与焊件摩擦生热，是搅拌摩擦焊的主要热源。随着搅拌头沿焊缝方向 行走，与工件摩擦产生的热量使被焊材料局部塑化，当搅拌头沿着焊接界面向前 移动时，塑化材料在其转动摩擦力作用下由前部移向后部，并在搅拌头的挤压下 l 北京交通大学硕士学位论文 绪论 形成致密的焊缝。同时，这些热量对焊缝附近的母材产生热循环作用，导致材料 中沉淀相的溶解或析出，使焊缝和热影响区发生较大程度的软化。在这种热机联 合作用下，搅拌摩擦焊接头中出现了四个不同的微观组织区，即焊核区( w e l d n u g g e tz o n e ，简称w n z ) 、热机影响区( t h e r m o m e c h a n i c a l l ya f f e c t e dz o n e ，简 称t m a z ) 、热影响区( h e a ta f f e c t e dz o n e ，简称h a z ) ) 和未受影响的母材区 ( b a s em a t e r i a lz o n e ，简称b z 或b m z ) ，如图1 1 所示。另外，由图1 1 知焊接 接头分为前进倾u ( a d v a n c i n gs i d e ，简称a s ) 茅h 后退倾j j ( r e t r e a t i n gs i d e ，简称r s ) ，它 们的主要区别是焊核两侧的金属流动方向不同。前进侧指金属流动方向与焊接方 向相同的一侧，后退侧指金属流动与焊接方向相反的一侧。由于焊缝金属在前进 侧和后退侧的塑性流动行为有所不同，因而会造成焊缝两侧同名区域的微观组织 和形态有所不同，最终导致焊缝两侧的力学性能也存在差异【2 。 1 1 3 搅拌摩擦焊的优点与应用 搅拌摩擦焊焊接温度低，是固相连接，与其它熔焊相比具有许多优点： ( 1 ) 焊接接头质量高。由于搅拌摩擦焊是材料在塑性状态下通过挤压完成 的，属固相焊接，故产生气孔的几率很小，也避免了熔焊时熔池凝固过程形成低 熔点共晶而产生的热裂纹。1 3 1 ( 2 ) 焊接残余应力和变形小。搅拌摩擦焊的焊接温度低，热影响较小，焊 后结构残余应力大小和变形量比熔化焊小得多。图1 2 1 4 所示是搅拌摩擦焊接头与 电弧焊接头变形的比较，可看出搅拌摩擦焊接头变形非常小。 图1 2 搅拌摩擦焊与m i g 焊接头的变形比较 f i g 1 2d e f o r m a t i o no ff s wa n dm i gj o i n t s ( 3 ) 接头力学性能好。由于焊接缺陷减少，搅拌摩擦焊接头疲劳性能比熔化 焊显著提高。图1 3 1 5 】是不同焊接方法下接头疲劳性能的比较，可以看出f s w 接头 疲劳性能明显比, t i g 焊接头和m i g 焊接头要好。表1 1 【6 】是不同焊接方法下接头抗 拉性能的比较，可以看出f s w 接头强度较高。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 图1 3 搅拌摩擦焊与m i g 焊、t i g 焊接头疲劳性能的比较 f i g 1 3f a t i g u ep r o p e r t yo ff s w 、m i ga n dt i gj o i n t s 表1 1 不同焊接方法时接头的力学性能 t a b l e 1 1m e c h a n i c a lp r o p e r t yo fd i f f e r e n tw e l d i n g j o i n t s ( 4 ) 焊前准备和焊后清理少，降低劳动强度，提高工作效率。 ( 5 ) 搅拌摩擦焊不产生弧光、烟尘、噪声等污染。 ( 6 ) 焊件装配间隙要求低，控制好其它参数后，一般不会影响接头质量。 ( 7 ) 控制参数少，易于实现自动化【_ 7 】 由于搅拌摩擦焊的很多优点，使其在航空、航天、船舶、轨道交通、汽车等 方面得到了广泛应用。1 9 9 8 年美国波音公司首先将搅拌摩擦焊应用在运载火箭 中，并于2 0 0 1 年用此火箭将一个航天器成功发射升空，由此，搅拌摩擦焊制造 技术首次在应力结构件上得到成功应用。e c l i p s e 航空公司于2 0 0 2 年已经开始把 搅拌摩擦焊用于新型双引擎喷气客机的机身、机翼主体结构的制造。挪威m a r i n e 公司和日本s l m 公司利用搅拌摩擦焊技术完成了各种船舶结构的制造。日本日 立公司、法国a l t o n 公司、德国s i e m e n s 公司、加拿大b o m b a r d i e r 等公司已经 在新型轨道车辆的制造中都使用了搅拌摩擦焊技术。马白达汽车公司是第一个将 搅拌摩擦焊技术用于汽车制造的汽车公司，采用该技术制造了2 0 0 4 款马自达 r x 8 铝合金车后门及引擎盖。 8 - 9 1 1 2 铝合金的时效强化 与其它金属相比，铝合金具有独特且优异的物理特性、化学特性、力学特性 北京交通大学硕士学位论文 绪论 及工艺特性，如低密度、高比强度、耐腐蚀、导电、导热性好、工艺性好。高比 强度使其特别适用于轻质承载结构。易于轧压、挤压、锻压、冲压等良好的工艺 性能使其可制成各种形状的型材。铝合金的这些特性使它能适应现代科技发展的 需要，广泛应用于制造各种工业产品。1 1 0 1 1 2 1 铝合金的分类 铝合金分为两大类。一大类为变形铝合金，具有优良的冷热加工性能，它一 般表现为冶金工业半成品，即板、棒、管、丝、带，或具有一定形状及尺寸的锻 件和挤压型材。另一大类为铸造铝合金，具有优良的铸造性能，一般表现为铸造 的零件或其毛坯。图1 4 1 l 】是铝合金的二元平衡相图，以溶解度极限d 为界，d 点左边是变形铝合金，右边为铸造铝合金。 l 芑 篝 l s 口一 图1 4 铝合金二元相图( 局部) f i g 1 4b i n a r yp h a s ed i a g r a mo fa l u m i n u ma l l o y 变形铝合金又可分为热处理强化型铝合金和不可热处理强化型铝合金。以图 1 4 中s 点为界，成分在s 点左侧的为不可热处理强化型铝合金。此类铝合金有 a 1 一m n 系防锈铝合金、a 1 m g 系防锈铝合金。成分在s 、d 点之间的铝合金，其 固溶体的成分随温度而改变，合金元素在基体中的溶解度随温度的降低而减小， 故合金能进行时效强化，属于热处理强化型铝合金，它们即可变形强化，也可热 处理强化。热处理强化型铝合金包括2 0 0 0 、6 0 0 0 、7 0 0 0 系列铝合金，它们分别 为a 1 一c u 系合金、a 1 一m g s i 系合金、a 1 一z n 系合金。r 7 ，1 1 j 4 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 2 2 铝合金时效强化原理及其组织性能特点 铝合金的热处理就是选用某一热处理规范，控制加热速度升到某一相应温度 下保温一定时间以一定的速度冷却，改变合金的组织。其主要目的是改善综合性 能，如提高合金的力学性能、耐腐蚀性能，提高和改善加工性能，获得尺寸的稳 定性等。铝合金热处理包括均匀化、固溶处理、淬火、时效等工艺，其中6 0 0 0 系列、7 0 0 0 系列主要通过时效析出强化来到达强化效果，获得较高强度。 对于一般的钢来说，经淬火后可迅速获得高的硬度和强度，而塑性降低，但 是对于铝合金则不然。铝合金淬火后，硬度和强度并不马上提高，塑性不但不降 反而有所提高。但这种淬火后的铝合金，经过一段时间( 一般是数天) ，硬度和 强度会显著提高，塑性也会明显下降。淬火后铝合金的强度和硬度随时间的增加 而增加的现象，称时效强化。时效包括人工时效和自然时效。 1 1 - 1 3 】 m 9 2 s i 相是6 0 0 0 系合金的主要强化相。图1 5 为a 1 m 9 2 s i 系伪二元状态图， 可以看出，m g a s i 在铝中的溶解度随温度的变化十分明显。在共晶温度5 9 5 时， m 9 2 s i 相在铝中的极限溶解度为1 8 5 ，5 0 0 0 c 时为1 0 5 ，3 0 0 时仅有0 2 7 。 因此该系铝合金具有明显的时效强化效应l l3 | 。 7 口o 6 0 0 5 0 0 p4 0 0 j 如0 如o t o o o l h 。l + a o i 铲 a 听i 5 7 ? 叶m g上s i i m 05l 口1 5：0 25 m 缸s m 图1 5a 1 一m g z s i 系平衡相图( 局部) f i g 1 5a 1 - - m 9 2 s ie q u i l i b r i u mp h a s ed i a g r a m 6 0 0 0 系列铝合金的时效强化是通过第二相m 9 2 s i 的沉淀析出而实现的。 m 9 2 s i 的尺寸和形状对合金性能影响很大。其一般析出过程为：过饱和固溶体 0 【一g p i 区- - - - ，g p i i 区( p ”) _ p _ 伊14 1 。g p i 区为无独立晶格结构的球状物，眇相 为针状有序结构，p ，相为棒状半共格结构，p 相为片状平衡相m 9 2 s i 。”1 图1 6 1 4 1 为6 0 8 2 t 6 铝合金时效前后的组织图，( a ) 图可看出明显的共格效应，( b ) 图 为时效8 小时后的组织图，可以看出共格效应消失。 北京交通人学硕十学位论文 绪论 ( a ) 5 3 0 。c 卜1 司溶处理( b ) 1 6 0 。c 卜时效 图1 66 0 8 2 t 6 铝合金时效前肝的组织 f i g 1 6a g i n gm i c r o s t r u c t u r e ( a ) s o l u t i o nt r e a t m e n ta t5 3 0 。c ( b ) a g i n ga t16 06 c 1 2 - 3 铝合金焊接接头的过时效 搅拌摩擦焊焊接过程中，山于受到焊接热循环的作用，焊接接头一定区域范 围内被加热到较高的温度，且超过了母材的时效热处理温度，结果会导致接头发 生不同程度的过时效软化1 1 6 - 1 8 1 。在机械搅拌作用对焊核区和热塑性影响区组织影 向的综合作用下，通常在焊接接头的热塑性影响区硬度最低，如图1 7 1 1 6 1 所示。 i ) h * - c ti n mt h e 讣h 抽 ec e n t e r m n l l 图1 72 0 2 4 铝合金搅拌摩擦焊接头硬度的变化 f i g 1 7t h eh a r d n e s sc h a n g eo ff s wj o i n to f2 0 2 4a l u m i n u ma l l o y 铝合金焊接接头的过时效软化是其固有的，虽然搅拌摩擦焊的软化程度比熔 化焊有所减轻，但是仍无法避免，划。接头的承载能力显著降低。目前，大多采用 工艺试验的方法，通过试验去寻求较好的工艺，可以减少缺陷，细化组织，由于 工艺改进主要凭借经验，所以实际效果并不理想，例如对于6 0 0 0 系列铝合金， 目前搅拌摩擦焊接头强度一般是母材强度的7 0 左右。焊后时效虽然可以使接头 强度显著提高，如图1 8 和1 9 1 1 8 1 所示。但是对于很大的大型铝合金结构件， 6 i ! 室銮望奎堂堡主堂垡堡壅 一 绪论 一 三曼竺 如车体、船体、机身等，不具有可操作性。 图1 8a a 6 0 1 9 搅拌摩擦焊接头不同时效时间下焊接接头硬度的变化 f i g 1 8t h eh a r d n e s sc h a n g eo f a a 2 1 5 9f s w j o i n ti nd i f f e r e n ta g i n gt i m e - n a t u r a ra o e i n oc _ 3 5 d a y s ) d i s i 矾( m m ) 图1 9 不同时效规范对2 0 2 4 铝合金搅拌摩擦焊接头硬度的影响 f i g 1 9i n f l u e n c eo fa g i n gp r o c e s s i n go nf s wh a r d n e s so f2 0 2 4a l u m i n u mm l o y 1 3 匹配理论 研究高强钢熔化接接头性能时发现，在很多情况下，即使焊缝强度低于母材， 但是接头强度仍然可以接近甚至达到母材水平，同时焊缝还保持较高的韧性，可 以防止脆性断裂，这就是焊接接头低强匹配理论。 邹吉权等【19 j 提出了用塑性变形的方法来研究低匹配的问题。他认为，高强 钢的焊接，采用低匹配焊条焊接，一定条件下，承载能力不会降低。若进行塑性 分析，则可充分利用材料的潜能，使结构的设计更合理、更经济。 赵俊丽等【2 0 j 进行了9 0 0m p a 高强钢低匹配焊接研究及应用。他对这种高强 钢采用了与之等韧性的国产8 0 0m p a 级高强焊丝h s 8 0 作为焊接材料，即采用 sz)s竹啦cpj弗z 北京交通大学硕士学位论文 绪论 了低匹配焊丝，得到了等强的结果，最终在母材处断裂。 焊缝和母材的强度配合可用焊缝强度匹配系数m = 唧w g y b 来表示。它是表 征焊接接头力学性能非均匀性参数之一，焊缝强度咖与母材强度之比大于 1 ，称为超强匹配，等于1 称为等强匹配，小于1 称为低强匹配。一般都认为高 强匹配或超强匹配较好，更为安全。但是，综合冶金因素、熔合比和拘束强化效 果等因素，等强或低强匹配接头有时也可以达到母材的强度，兼有更好的塑性与 韧性。 但是对于铝合金搅拌摩擦焊来说，不存在熔合比，焊接残余应力和变形都较 小，所以这两个因素都不可能使搅拌摩擦焊接头达到低强匹配的效果；而对于冶 金因素，搅拌摩擦焊焊接过程中也不可能加入其它元素。赵智力等 2 l 】对于高强 钢的低强匹配提出了另外一种方法。他们在忽略焊缝冶金、力学强化及焊接残余 应力作用的前提下，提出通过改变焊缝的几何形状参数条件来实现低匹配对接接 头焊缝与母材等强承载( 简称等承载) 的方法，并且取得了成功。 弹性力学理论与实践表明，应力集中发生在构件刚度急剧变化的部位。承载 时，此处会发生较大的应力集中。将应力集中因素选在构件中应力低的部位，可 以有效降低应力集中，如图1 1 0 。那么，如果改变接头各区的大小，必然会改变 整个接头的应力分布，也必然会改变应力集中的部位。 图1 1 0 改变圆孔的位置以改变应力分布 f i g 1 10s t r e s sd i s t r i b u t i o nw i t hd i f f e r e n tr o u n dh o l ep o s i t i o n 另外，改变接头各区的尺寸，也可理解为改变各区的厚薄。由对结构钢应力 集中的研究情况来看，增加或减少厚度，必将改变裂纹的扩展状态。胡宗文掣2 2 j 研究的结果是随着厚度的增加，塑性区发展的更加缓慢，也就是说提高了有缺陷 的板材强度，如图1 1 1 所示。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 量9 0 0 、 器8 0 0 h ， 皂锄 o ：湖 j 皇 盘4 0 0 日 宝 审翩 盼1 5 0 04 0 鼢l l 鳓瑚 s t r a i n m p a 图1 1 1 不j 司厚度f 最大拉应力值变化情况的比较 f i g 1 11m a x i m u mt e n s i l e s t r e s si nd i f f e r e n tt h i c k n e s s 铝合金搅拌摩擦焊接头各区强度都低于母材，属于低匹配情况，那么可以设 想，通过调整各区的某些参数可以提高整体接头强度，以达到低强匹配。但是搅 拌摩擦焊并不能像熔化焊那样通过改变填充材料来调整焊缝的力学性能。于是， 本研究拟通过改变搅拌摩擦焊接头各个区域的尺寸，以改变应力集中状况和各区 的拘束作用来提高整个接头的力学性能。 1 4 搅拌摩擦焊拉伸过程的有限元模拟 有限元模拟越来越广泛的应用于各个工程领域。用有限元模拟搅拌摩擦焊非 均质接头的力学性能，即可以方便的得出整体性能的变化，同时又能得到局部的 性能变化，如果能够了解局部性能对整体性能的影响规律，对获得理想接头及提 高接头性能有很好的指导作用。 l o c k w o o d 等1 2 3 认为非均质接头的力学特性主要由局部性能决定。他们采用 数字图像相关技术( d i g i t a li m a g ec o r r e l a t i o n ，简称d i c ) 试验得到局部应变和 整体应力应变曲线，通过等向应力假设，获得了局部应力应变曲线，然后用获得 的值进行了二维有限元模拟，结果证明了模拟和实验结果基本符合。如图1 1 2 所示。 k l n i e l s e n 等 2 4 】将搅拌摩擦焊接头拉伸过程中出现的塑性流动和延性断裂 运用到有限元模拟中。他们使用数字图像相关技术试验，得到了全场应变，使用 硬度试验将接头分区，使用微剪切试验获得各区的性能，进而基于v o c e 硬化法 则对接头进行了三维有限元模拟。在有限元模拟的过程中运用g u r s o n 塑性损伤 模型对接头拉伸延性断裂过程中微孔洞的产生与发展进行了研究。他们认为，应 变硬化有效地推迟了由微孔洞导致的断裂，微孔洞的第二次大量出现对高强度区 域的断裂应变有很大的影响。如图1 1 3 所示。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 图1 1 22 0 2 4 铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸性能模拟和实验结果比较 图1 1 36 0 0 5 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头拉伸过程不同模型与实验结果的比较 f i g 1 13c o m p a r i s o no ff s wjo i n t sa n ds i m u l m i o nt e n s i l es t r e n g t ho f6 0 0 5a l u m i n u ma l l o y k i ml a un i e l s e n l 2 5 1 采用基于完整的拉格朗日方程的有限元模拟对2 0 2 4 铝 合金搅拌摩擦焊接头的延性断裂进行了分析。重点研究了工艺参数的改变对各区 性能的影响、损伤的扩展、最终断裂的位置。工艺参数可以影响各区的屈服强度， 各区屈服强度又强烈地影响损伤的发展，t m a z 和w n z 应力的改变使断裂位置 发生改变。 关于有限元在搅拌摩擦焊接头拉伸载荷下的模拟研究，国外的研究已经有一 定的成果，而国内进行的很少。l o c k w o o d 、n i e l s e n 等在这方面的研究都得出了 有意义的结论，但是也都有他们的局限性。l o c k w o o d 的研究误差较大，而n i e l s e n 所建立的延性断裂模型虽然符合实际，但是过于复杂。另外，他们所建立的模型 只是相应工艺参数下的几何模型，目的是通过改变工艺参数来获得不同的模型， 以研究性能随工艺参数改变的规律。而本文采用与他们相反，但是更加实用的思 想，那就是直接通过改变几何模型( 包括尺寸和形状) 获得接头的最佳性能，反 过来指导工艺参数的选择以获得实际接头的最佳性能。 北京交通大学硕士学位论文 绪论 1 5 研究内容 1 5 1 技术路线 通过d i c 实验研究搅拌摩擦焊接头的非均匀变形行为和机理，同时得到整 体及局部力学性能，以进行有限元模拟并与实际结果比较。由于铝合金搅拌摩擦 焊接头符合低强匹配的条件，本文提出利用材料本身各区的拘束作用，改变各区 的尺寸来强化这种效应，以获得低强匹配效果，提高接头性能。 1 5 2 主要内容 ( 1 ) 采用d i c 技术对6 0 6 1 一t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头的非均匀变形行为进 行研究，掌握其非均匀变形规律，分析其力学机理。 ( 2 ) 进行搅拌摩擦焊接头拉伸过程的有限元模拟。通过硬度试验确定搅拌 摩擦焊接头各区尺寸形状，通过d i c 试验获得有限元模拟需要的力学性能数据 数据，并对模型分区进行修正。通过模拟结果与d i c 试验结果的比较验证有限 元模拟的可靠性。 ( 3 ) 模拟研究不同几何条件下6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊接头的力学响应 特征，揭示接头各区几何尺寸对铝合金搅拌摩擦焊接头在拉伸载荷下应力应变状 态的影响规律，为搅拌摩擦焊工艺的优化提供理论依据。 北京交通大学硕士学位论文 铝合金搅拌摩擦焊接头非均匀变形行为研究 2 、铝合金搅拌摩擦焊接头非均匀变形行为研究 2 1 试验材料 试验材料选用6 0 6 1 t 6 铝合金。材料形式为6 m m 厚板材，t 6 热处理状态( 固 溶处理加人工时效) 。该合金成分见表2 1 ，性能见表2 2 。 表2 16 0 6 1 一t 6 铝合金的化学成分( 讯) t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f6 0 61 一t 6a l u m i n u ma l l o y ( w t 、 抗拉强度c r b m p a 延伸率g 维氏硬度h v 3 0 81 5 81 4 0 2 2 搅拌摩擦焊试验 2 2 1 试验设备 搅拌摩擦焊工艺试验采用中航一集团北京航空制造工程研究所自主研制的 大型悬臂式数控搅拌摩擦焊设备，如图2 1 所示。该设备可焊接对接、角接、搭 接等结构形式以及厚度变化的结构，最大可焊厚度2 0 m m 。 试验用搅拌头如图2 1 所示。其主要规格参数为：轴肩直径1 8 m m ，搅拌针直 径4 m m ，长度5 7 5 m m ，倾斜角度为2 0 。搅拌头采用螺纹结构，因为螺纹形搅拌 头能够提高摩擦热的利用率，且能在旋转的同时，可以产生向下的旋压锻造力， 使搅拌头搅拌更充分，摩擦产生充足的热量，从而使材料完全达到塑性状态，获 得致密的、成型良好的高质量焊缝。 北京交通人学硕十学位论文铝合金搅拌摩擦焊接头1 卜均匀变形行为研究 图2 1 搅拌摩擦焊设备( 左) 及搅拌头( 以) f i g 2 1d e v i c eo ff s w ( 1 e f t ) a n df r i c t i o ns t i rt o o l ( r i g h t ) 2 2 2 工艺参数 搅拌摩擦焊在本质上属于固相焊，缺陷较少，但也会有飞边、未焊透等问题， 影响接头性能。为了得到质量良好的焊接接头，以下为搅拌摩擦焊焊接工艺及试 验结果，如表2 3 。 表2 _ 36 0 6 1 一t 6 铝合金搅拌摩擦焊i ：艺参数和焊接质量 t a b l e 2 3w e l d i n gp a r a m e t e r sa n dq u a l i t yo f6 0 61 一t 6f s w 根据以上实验结果，本次搅拌摩擦焊焊接工艺参数选为：旋转转速1 4 0 0 r p m ， 焊接速度4 0 0 m m m i n 。 2 2 3 焊接接头组织 沿着垂直于焊接接头方向切取金相试样。然后用金相砂纸研磨，用金刚石抛 光膏抛光，采用k e l l e y s 腐蚀剂浸蚀，时问1 0 3 0 s 。采用o l y m p u s 光学显微镜观 察金相组织并照相。如图2 2 所示，( a ) 为母：材；( b ) 为焊核，由于晶粒细小， 1 3 北京交通大学硕士学位论文 铝合金搅拌摩擦焊接头非均匀变形行为研究 需要放大更大倍数才能看清。( c ) 为热机影响区，由于即受到热的作用，又受到 搅拌头的机械作用，组织呈现一定的方向性；( d ) 热影响区，由于只受到热的作 用，晶粒粗大。 謦i i 。4 。 ；f 3 “j 碧：j 。 。 ，一 。 铸o “ 囊够豢7 + - 。? 。* 。? ；4 + 攀鍪鎏。；。毫，一j ：| i +浮錾：4t ! 鬈：曩誓。j + 鬻毒鍪：二曩冀一-，、。，。挚 。鬈然i ! i 。、。，“。童。 鋈豢i 瓮；i i ? 。i 、，鼻4 。，i 、1 淡。j i 囊蒸攀鬻”| i i 鎏1 | 、i 鎏鋈i 簿鬻x 参鬻豢 菱；。羔一，够i ；：囊；萋i i 妻i n j l i j ，0 t ，：簿 i 。多。j 一。 ，”“ ，爹誊“、 -。一 # 硝- 誉i o 。蠢“缪爹薹。 誉豢i i 霪髫。：笺萋鋈隧i | 霸口。*， 2 ：罩= 焉 搴攀藜；警粪 嚣爹“? i 鬟z 誊爹囊雾。囊 鬻鋈 i 薹鏊萋鏊藜攀薹鬻蘩i ( a ) 母材( b ) 焊核区( c ) 热机影响区( d ) 热影响区 图2 26 0 6 1 t 6 铝合金焊接接头的金相组织 ( a ) b z ( b ) w n z ( c ) t m a z ( d ) h a z f i g 2 2m i c r o s t r u c t u r eo ff sw e l dj o i n to f6 0 6 1 一t 6a l u m i n u ma l l o y 2 3 显微硬度试验 硬度表示材料抵抗局部塑形变形的能力。显微硬度试验原理如下：对于两面 之间的夹角为1 3 6 。的金刚石正四棱锥压头，显微硬度的计算公式为： h v = p f = i ，8 5 4 4 p | 毒k g m m 2 式中：p 一载荷( g ) ； p 一一压痕面积( m m 2 ) 仁压痕对角线长度( 哪) 。 2 3 1 试验目的 本次硬度试验的目的：( 1 ) 通过分析焊接接头横截面硬度的变化，了解接 头横向( 垂直于焊接方向) 及厚度方向硬度的不同。由于接头横向任意点所受的 焊接热循环不同，所以横向硬度会有所差异，厚度方向硬度也有所不同。 ( 2 ) 1 4 北京交通人学硕十学位论文 铝合金搅拌摩擦焊接头1 f 均匀变形行为研究 通过分析整个接头横截面上的硬度，确定焊接接头上焊核、热机影h 向区、热影响 区的尺寸。因为每个区的性能基本相同，所以硬度也基本相同，那么如果焊接接 头上某个范围内的硬度基本相同，则可以认为是一个区，这样这个区的尺寸形状 就都确定了。 2 3 2 试验方案 ( 1 ) 垂直焊接接头方向切取试样，试样尺寸为4 4 x 1 0 x 6 m m 。显微硬度试验 i 狰需要对试样进行抛光。测试设备为h v a 一5 型显微硬度计，使用2 0 0 9 载荷， 保荷时间为1 5 s 。 ( 2 ) 将接头横截面等分为6 份，沿等分线进行测试，如图2 3 ，共测出6 条硬度变化曲线，这样即能看出横截面横向硬度的变化，也能看出厚度方向硬度 的变化。 图2 3 焊接接头横截面硬度测试位置示意图 f i g 2 3m i c r oh a r d n e s sm e a s u r e m e n to ff s w j o i n t 距中心左右1 3 m m 处测试f 白j 隔为0 5 r a m ，以后间隔改为1 m m 。因为预测试样 焊接接头范围在距中心左右大约1 2 m m ，所以在此范围内测试问隔为0 5 m m ，就 能清楚的看出硬度的变化。 2 3 3 试验结果 图2 4 为焊接接头横截面中心线硬度。可以看出焊接接头两侧的热机影响区 的硬度较低。此处因为没有再结晶发生，而1 q 受热较大，故晶粒粗大，硬度较低。 北京交通大学硕士学位论文铝合金搅拌摩擦焊接头非均匀变形行为研究 一 o i加、 o 0 ， fp v u 、- ， - 1 珏- 1 0 一l 珥l z i u 啼巾川zuz45凸1 u z 耳i 口l 曙 + j 热；缝t h 0 鞋! 离( m m ) 图2 4 焊接接头横截面中心线硬度 f i g 2 4m i c r oh a r d n e s so fw e l dc e n t r el i n ei nc r o s ss e c t i o n 图2 5 为焊接接头横截面各硬度线测试结果。结合图2 3 可看出，在焊接接 头中心焊核处，距离焊接接头表面越远( 即从上到下) ，硬度越低；而在热影响 区( 距焊缝中心l o m m 左右处) ，距接头表面越远( 即从上到下) ，硬度越高。 这是因为搅拌摩擦焊的热源主要来自搅拌头和工件表面的摩擦生热，距接头表面 越远，受热越少。在焊核区，由于在热机综合影响下发生了再结晶，故受热较多 的地方，有更多的再结晶形核，会形成更多的等轴晶粒，所以硬度更高；在热影 响区，没有发生再结晶，当受热较多时，会使晶粒粗大，降低硬度，故接近表面 处硬度反而较低。 图2 5 焊接接头横截面硬度分布 f i g 2 5m i c r oh a r d n e s sd i s t r i b u t i o no ff s wj o i n t si nc r o s s s e c t i o n 勰 帖 仲 鲐 吾； ：盆 筠 秘 工v 慈警 们 雏 笛 碍 砷 陆 z ) | 世酪 北京交通大学硕士学位论文 铝合金搅拌摩擦焊接头非均匀变形行为研究 2 4 数字图像相关技术试验 2 4 1 数字图像相关技术的基本原理及特点 数字图像相关技术是一种可以对二维和三维全场位移和应变进行测量的光 学测量方法。这种方法于上世纪8 0 年代初被提出，后来经过加快匹配运算速度 和不断提高运算精度等改进后，在实际应用中取得了良好的效果。 数字图像相关技术的基本原理为，通过确定试件上某点及其周围小区域变形 前后的位置，找到它们之间的对应关系，来获得此点的位移及这个小区域的变形。 如图2 6 所示，将变形前的子区称为原子区，变形后相对应的子区称为目标子区， 计算机通过摄像机摄得的图像，得到变形前后各个子区的灰度，再通过某种搜索 方法( 如十字搜索法) ，计算变形后子区与原子区的相关性，从变形后图像中找 出与原子区相关的目标子区，就能得到位移变量和变形量【2 6 1 。相关系数定义为： c ( 耻毒挚尝掣竺 ( 2 - 1 )、。 厂2 ( x ，y ) 9 2 ( x 宰，y 木) 、。 式中：x = ( 甜，v ，o u o x ，a u a y ，o v o x ，a v a y ，) 为待求变量；“和v 是原子区中一t l , 点到目标予区