（材料加工工程专业论文）搅拌摩擦焊残余应力和失稳变形数值模拟预测方法研究.pdf

中文摘要 搅拌摩擦焊是新型固态连接技术，在铝合金等有色金属的焊接中占有其他焊 接方法不可比拟的优势。搅拌摩擦焊接头的残余应力对接头的力学性能尤其是疲 劳性能有严重影响，这样就有必要发展计算机数值模拟技术建立f s w 的理想模 型，进一步准确的分析残余应力的分布并明确各种影响因素对残余应力分布和水 平的影响规律，从而达到对接头残余应力进行准确预测以达到控制优化的目的。 本文采用顺序耦合数值模拟方法利用a n s y s 有限元软件来预测f s w 接头的 残余应力。采用的材料为a i 6 0 6 1 t 6 ，模型尺寸分别为2 0 0 x 1 0 0 4 5 m m 和 2 0 0 x 1 0 0 x 2 m m 。 1 首先要建立三维热模型进行温度场分析，以得到焊接过程的温度历程。 在温度场的模拟过程中，只考虑了搅拌头肩部和搅拌针与工件之间的摩擦生热， 建立了移动热源。为了保证计算的准确性同时又减少计算量，实体模型在划分网 格时采用了非均匀网格方式。在计算过程中采用了随温度变化的热物理性能，选 择了合理的焊接工艺参数和边界条件。利用a n s y s 软件进行计算得到f s w 接头 的温度范围均在材料熔点的8 0 - 9 0 之间，符合实际情况并可以作为结构分析 的热载荷。 2 将热模型转化为结构模型，把得到的温度场结果作为热载荷施加到结构模 型上进行残余应力分析。在分析过程中采用了材料随温度变化的热力学性能，施 加了合理的边界条件，考虑了搅拌头对工件产生的随热源移动的约束条件，使模 拟过程更符合实际情况。整个过程采用a n s y s 有限元软件来完成。结果表明，在 焊缝及其热影响区，纵向残余应力为主要残余应力，低于材料室温的屈服强度， 最大值在焊缝中心，而横向应力相对较低，z 向应力水平很低，在零点附近上下 波动，可以忽略。 3 根据残余应力的模拟结果，采用等效热载荷的方法即将焊接残余应力等效 为一种外载荷施加在薄板结构上进行弹性屈曲和大变形分析，来确定在给定外载 即残余应力作用下的f s w 对接薄板失稳变形。计算结果表明，f s w 焊接过程中 形成的残余应力可以导致较大尺寸的薄板失稳，说明了f s w 接头残余应力的存 在影响焊接结构的稳定性。 综上所述，本文所采用的数值模拟方法对f s w 接头残余应力以及f s w 薄板 变形的预测是可行的，但还需要进一步完善。 关键词：搅拌摩擦焊；铝合金；残余应力；有限元模拟；顺序耦合；温度历程； 应力场：结构模型；等效热载荷 a b s t r a c t f r i c t i o ns t i rw e l d i n gi san e w s t y l es o l i d - s t a t ej o i n i n gp r o c e s s ，w h i c hh a su n i q u e a d v a n t a g eo v e ro t h e rw e l d i n gm e t h o d sa m o n g t h ew e l d i n go ft h en o n f e r r o u sm e t a l s ， s u c ha sa l u m i n u ma l l o y s t h er e s i d u a ls t r e s se x i s t e n ti nt h ef r i c t i o ns t i rw e l d i n gj o i n t h a sas e r i o u si n f l u e n c eo nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo f j o i n t ，e s p e c i a l l yf a t i g u ep r o p e r t y s oi t sn e c e s s a r yt om a k ead e t a i l e da n dt h o r o u g hs t u d yt ot h er e s i d u a ls t r e s so f j o i n t i nd o i n gs ow en e c e s s a r i l yd e v e l o pc o m p u t e rn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt os e tu pt h ei d e a l m o d e lo ff s wf o re x a c t l ya n a l y z i n gt h ed i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s sa n dm a k i n g c l e a rt h ei n f l u e n t i a ll a wo fd i f f e r e n tf a c t o r si n f l u e n c eo nt h ed i s t r i b u t i o na n ds t a n d a r d o fr e s i d u a ls t r e s s ，w ec a ng e tt h eg o a lo fc o n t r o l l i n ga n do p t i m i z a t i o nw i t ht h ee x a c t p r e d i c t i o no f r e s i d u a ls t r e s s t h et h e s i sa d o p t sf i n i t ee l e m e n ta n a l y z i n gm e t h o d ，w h i c hu t i l i z es e q u e n t i a l l y c o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e lt op r e d i c tt h er e s i d u a ls t r e s sm a d ei nt h ef s ww e l d i n g i o i n t t h em a t e r i a la d o p t e di nt h ep a p e ri sa l - 6 0 6 1 一t 6 t h es i z eo fm o d e li s2 0 0 1 0 0 4 5 m ma n d2 0 0 1 0 0 2 m m f i r s t s e t t i n gu pt h r e e d i m e n s i o n a lt h e r m a lm o d e lt h a tc a na n a l y z et e m p e r a t u r e f i l e dt og e tt h et e m p e r a t u r eh i s t o r yi nt h ew e l d i n g i nt h es i m u l a t i n gp r o c e s so ft h e t e m p e r a t u r ef i l e d ，s e tu pt h em o v i n gt h e r m a l - g e n e r a t i o nm o d e l ，o n l yc o n s i d e r i n g t h e h e a tg e n e r a t e db yf r i c t i o nb e t w e e nt h ew o r k p i e c ea n dw e l d i n gt 0 0 1 t h em e s h i n go f e n t i t ym o d e la d o p t st h en o n u n i f o r ms c h e m ef o rt h ep r e c i s i o na n d l e s sc a l c u l a t i o n t h e m o d e la d o p t st h e r m o - p h y s i c a lp r o p e r t i e so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a t e r i a l a n d t e m p e r a t u r e ，a n dt h e ns e l e c t st h er a t i o n a lw e l d i n gp r o c e s s - p a r a m e t e ra n db o u n d a r y c o n d i t i o n t h ew h o l ep r o c e s si sc a l c u l a t e db ya n s y s ，o b t a i n i n gt h et e m p e r a t u r e r a n g eo fi o i n ti sb e t w e e n8 0 a n d9 0 o ft h em a t e r i a lm e l t i n gp o i n t ，w h i c ha c c o r d w i t ht h ea c t u a ls i t u a t i o na n dc a nb ea st h e r m a l l o a do fs t r u c t u r a la n a l y s i s s e c o n d ，t r a n s f o r m i n gt h et h e r m a lm o d e li n t os t r u c t u r a lm o d e l ，w h i c hg e tt h e t e m p e r a t u r ef i l e dr e s u l ta st h e r m a ll o a de x e r t e do nt h es t r u c t u r et oa n a l y z et h e r e s i d u a l s t r e s s t h i sm e t h o da d o p t sl o g i c a lt h e r m o m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，a n db r i n g st ob e a r a p p r o p r i a t eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，t a k e st h em o v i n g r e s t r a i n tc o n d i t i o no fw e l d i n gt o o l i n t oc o n s i d e r a t i o n t h u s ，t h es i m u l a t i o ni sv e r yc l o s et oa c t u a lc a s e t h ew h o l ep r o c e s s i sf i n i s h e db ya n s y sf i n i t ee l e m e n t r e s u l tp r o v e st h a tr e s i d u a ll o n g i t u d i n a l s o f t w a r e w i t h i nt h ew e l d i n ga n dh a z ，t h e s t r e s si sm a j o r t e n s i o n i n gs t r e s s ，a n dt h ep e a k v a l u ea tt h ec e n t e ro fw e l d i n gw h i c hi sl o w e rt h a ny i e l ds t r e n g t h r e s i d u a lt r a n s v e r s e s t r e s si sm i n o ra n dzs t r e s si sv e r yl i t t l e ，f l u c t u a t e sa tz e r op o i n t ，c a nb ei g n o r e d a tl a s t a c c o r d i n gt oo u rp r e d i c t i o nt or e s i d u a ls t r e s s ，w ee m p l o yt h em e t h o do f e q u i v a l e n tt h e 珊a ll o a da n dn o n 1 i n e a rb u c k l i n ga n a l y s i st oa n a l y z et h eb u c k l i n go f 仔i c t i o ns t i rw e l d e ds h e e t r e s u l ti n d i c a t e st h a tr e s i d u a ls t r e s si nt h ew e l d i n gp r o c e s s o ff s wc a nl e a dt ob u c k l i n go fl a r g ed i m e n s i o ns h e e t , w h i c hp r o v e sr e s i d u a ls t r e s s a f f e c tt h es t a b i l i t yo fw e l ds t r u c t u r e i nc o n c l u s i o n ，t h ep r e d i c t i v em e t h o d sa r ef e a s i b l et op r e d i c tt h er e s i d u a ls t r e s s a n db u c k l i n gd e f o r m a t i o no ff s wj o i n t ，b u ti tw i l lb ep e r f e c t e du l t e r i o r l y k e yw o r d s ：f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ，a l u m i n i u ma l l o y , r e s i d u a ls t r e s s ，f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n ，s e q u e n t i a l l yc o u p l e df i n i t ee l e m e n tm o d e l ，t e m p e r a t u r eh i s t o r y , s t r e s sf i l e d ，m e c h a n i c a lm o d e l ，e q u i v a l e n tt h e r m a ll o a d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：静忽艮苛 签字日期：函口7 年 多月 陟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞态堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：黔援静 签字日期：知7 年 z 月 侈日 导师签名：幻季晒喜 签字日期：夕年6 月f f 日 第一章绪论 1 1 选题的背景及意义 第一章绪论 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 ) 技术是针对熔焊性较差的铝 合金开发的一种新型固相连接工艺，由英国焊接研究所于1 9 9 1 年开发的专利技 术。铝合金是有色金属中使用量最大应用最广泛的金属。它的一系列优良性能和 特征如：比重小，延伸率大，延展成形性好，易强化，以及较好的抗腐蚀性能等 受到航空、航天、高速列车、汽车、船舶军工以及大型建筑等工业领域的青睐。 但是，铝合金材料的熔点低、比热容大，线膨胀系数大和其表面的致密的氧化层 以及熔焊过程中易产生较大的变形等特征又限制了铝合金进一步的推广应用。自 搅拌摩擦焊发明以来，t w i ，n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e a d m i n i s t r a t i o n ) ，b o e i n g ，e s a b 等大型的研究机构和企业都在进行与该工艺相关 的研究工作【1 】。1 9 9 5 年英国焊接研究所( t w i ) 在中国申请了有关搅拌摩擦焊和 搅拌头专利保护( 专利号：z l 9 5 1 9 2 1 9 3 2 ) ，并且在1 9 9 9 年得到了中国知识产权局 的批准( 批准号：5 1 4 5 1 ) ；在2 0 0 2 年4 月1 8 日，北京航空制造工程研究所和英 国焊接研究所在北京正式签署搅拌摩擦焊专利许可和技术合作协议，并且在双方 合作成立了中国搅拌摩擦焊中心的基础上，注册成了中国首家专业化的搅拌摩擦 焊技术公司北京赛福斯特技术有限公司，负责中国搅拌摩擦焊中心在中国地 区的所有搅拌摩擦焊业务。 随着搅拌摩擦焊技术的不断发展和广泛地应用，更要进一步提高和充实对搅 拌摩擦焊技术的认识。在搅拌摩擦焊接过程中，搅拌头与工件摩擦产生的热使 金属处于高温塑性状态，在拘束条件下冷却后很容易产生残余应力。搅拌摩擦焊 中刚性夹具需要施加更大的约束力来防止焊接过程中工件与工作台的相对运动 以及焊后的工件变形【2 - 引，约束力可以阻止因焊核以及焊缝两侧的焊接热影响区 冷却产生的收缩，使焊缝和热影响区产生残余应力。在构件服役过程中，焊接残 余应力和其所受载荷引起的工作应力相互叠加，使其产生二次变形和残余应力的 重新分布，这不但会降低构件的刚性和尺寸稳定性，而且在温度和介质的共同作 用下，还会严重影响结构和焊接接头的疲劳强度，抗断裂能力，抵抗应力腐蚀开 裂的能力【4 j 。虽然许多研究表明铝合金f s w 过程相对于熔焊工艺引入了低残余 应力，能够相对保证构件尺寸的稳定性。然而，即使低残余应力也能明显影响铝 第一章绪论 合金中接近门槛值附近的裂纹扩展1 5 - 6 1 。低残余应力的存在有可能改变在接近门 槛值范围裂纹驱动力，尤其对具有低疲劳裂纹扩展门槛值的材料。铝合金的疲劳 裂纹扩展门槛值较小，例如，对7 0 5 0 - t 7 4 5 1 ，2 0 2 4 - t 3 和6 0 6 1 - t 6 5 l l 铝台金为 2 2 3 0 m p a m “2 。因此由这些材料制各的构件的接近门槛值行为将受到残余应 力存在的影响。与残余应力比较，微观结构和硬度对疲劳强度的影响较小。许多 研究证明残余应力对裂纹扩展速率的影响可以用疲劳裂纹闭合模型解释，其中压 残余应力将起到增加裂纹张开应力强度因子的作用o ) ，在载荷循环中裂纹张开 的位置，其结果降低了有效应力强度因子范围( a k 翻，相应降低裂纹扩展速率。 拉伸应力场作用恰好相反，增加了有效应力强度因子范围( a k , r 3 ，加速了扩展速 率。显然这种影响程度依赖于残余应力场的细节也与裂纹通过焊缝和h a z 扩 展时应力场的释放程度有关p 】。 由此可见，对搅拌摩擦焊接头残余应力的水平和分布的研究无疑具有重要的 学术价值和现实意义。 1 2 搅拌摩擦焊技术原理及特点 1 2 1 搅拌摩擦焊技术原理 搅拌摩擦焊对工件的连接，主要是通过焊接工具( w e l d i n gt 0 0 1 ) 的高速旋 转实现的。是利用工件端面与焊具相对运动，相互摩擦所产生的热，使端部达到 热塑性状态，然后迅速项锻，完成焊接。其原理嗍如图卜1 所示： 图l - i 搅拌摩擦焊原理图 焊接工具包括轴肩( s h o u l d e r ) ，搅拌针( p i n ) 和柄部( s h a n k ) 。f s w 过程 中，搅拌头对焊接区域的材料具有向下挤压和侧向挤压的倾向，所以被焊工件要 刚性固定在背垫上，以便承受搅拌头施加的轴向力、纵向力( 沿着焊接方向) 以 第一章绪论 及侧向力。开始焊接时通过焊具的高速旋转，使搅拌针旋入工件接缝处，对于对 接焊缝，搅拌针的旋入深度一般要略小于被焊材料的厚度。轴肩与工件表面压紧， 通过轴肩和搅拌针与工件的摩擦生热使连接部位的材料温度升高软化，然后搅拌 头边高速旋转边沿工件接缝与工件相对移动，同时对材料进行搅拌摩擦来完成焊 接。肩部与工件表面摩擦生热，并防止塑性状态的材料的溢出，同时可以起到清 除表面氧化模的作用。随着搅拌头的移动，高度塑性变形的材料流向搅拌头的背 后，从而形成焊缝。有些搅拌针四周表面有螺纹，确保发生塑变的工件材料充分 释放，以得到没有气孔的接头1 9 】。 1 2 2 搅拌摩擦焊技术特点 搅拌摩擦焊与传统的焊接方法相比，拥有很多优点【1 0 1 ，具体表现为：不需要 焊丝，焊剂，保护气体，不需要打底焊，成本低廉；由于是固态连接，所以焊接 缺陷少，易实现全位置焊接；在焊接过程中不会产生飞溅，辐射，弧光，无烟尘， 工作环境好，安全性高：而且此技术原理简单，控制参数少，易于自动化：焊前， 焊后的辅助工作少；焊缝表面平整，变形很小或不变形，焊后无需后续处理，接 头质量优于传统的熔焊接头的质量。因而，f s w 技术具有广泛的工业应用前景 和发展潜力。 f s w 的缺点是：相对于熔焊，f s w 的焊接速度不高，焊接效率较低，需要 有较高生产率的稳定焊接机械；焊接压力较大，要求焊接设备具有很好的刚性， 焊接时需要强有力的固定装置以保证工件在整个焊接过程中保持正确的位置；在 焊缝的尾部，由于焊接完毕后搅拌针的取出会留下一个匙孔，需要切除或是用其 它焊接方法封住。 1 3 搅拌摩擦焊接头残余应力试验测量方法的研究现状 对f s w 残余应力的测量方法主要有电阻应变法，x 射线衍射法，应力敏感 法，中子法，超声波法，电磁法【l 卜1 2 】，和云纹法等。 s u t t o ne ta 1 【1 列已经发表了对a a - 2 0 2 4 t 3 的f s w 对接接头残余应力的测量 结果。他们利用中子衍射技术进行应变测量，并且根据测量结果利用h o o k e sl a w 来计算残余应力。结果显示纵向应力是最大拉伸残余应力，其最大值为1 0 5 m p a ， 其位置靠近试样整个f s w 接头区域的项部表面。最大横向残余应力大约为7 5 m p a ，出现在厚度方向的中间位置。沿厚度方向的应力是压缩应力，最大值为 - 4 0m p a ，位置在焊缝底部离焊缝中心线大约12 m m 处，并在肩部直径外边缘迅 速转变为拉伸应力。 第一章绪论 s t a r o ne ta 1 【l4 j 也利用中子衍射方法对a a 2 0 2 4 t 3 51f s w 接头的残余应力 进行了测量，并根据测量的残余应变值以及e = 7 0 g p a 和v = 0 3 4 5 来计算残余应 力。在后退侧最大纵向残余应力值为6 5m p a ，前进侧最大值为5 5m p a 。在焊缝 区域内，最大值为5 0m p a ，位置在靠近中心线处。另外，在距离顶部表面1 5 m m 处和距底部表面1 5 m m 处进行测量的结果表明沿板厚方向的横向残余应力和垂 直方向残余应力没有变化，而在底部表面最大纵向残余应力仅为2 0m p a ，而垂直 方向的残余应力很高。这个结果与s u t t o ne ta 1 的测量结果有很大差异。其原因 可能是在焊接过程中参数、环境、冷却程度不同造成的。 r e y n o l d se ta 1 【l5 j 利用相似的技术对s s 3 0 4 l 搅拌摩擦焊缝的残余应力进行 了测量。他们发现纵向残余应力接近母材的屈服强度，在厚度方向几乎没有变化， 沿厚度方向上的横向残余应力，其值高达1 5 0m p a ，在顶部表面为拉伸残余应力 而底部表面则变为压缩应力。这个变化可能是由于焊缝底部表面与垫板紧密接触 而比顶部冷却较快造成的。他们还指出最低强度区域在热影响区( h a z ) ，并表 明相对较弱的h a z 的屈服强度可能限制残余应力水平。 o o s t e r k a m pe ta 1 i l o j 对a a 7 0 10 8 t 7 9 合金f s w 焊缝的残余应力进行了测 量。发现由于热力耦合搅拌摩擦焊引起的组织和残余应变没有紧密联系，因为不 均衡的塑性变形可以导致高应力梯度。测量的纵向应变结果显示了沿厚度方向的 拉伸应变领域没有垂直伸展到表面而是随着深度的变化而逐渐消失，并且在这个 区域的边缘应变领域有一个急剧的变化，变成了平缓的压缩应变。 最经典的残余应力测量方法是应变片钻孔法【1 7 1 。但是这种方法存在以下缺 点：1 ) 钻孔释放的残余应力是随离孔周的距离迅速递减的，而应变片距离孔周 是有一定的距离的，对释放的残余应变敏感度降低；2 ) 应变片得到的只是其长 度范围内应变的平均值；3 ) 应变片钻孔法是将钻孔释放的残余应力作为均匀场 来计算的，因此不适合焊接残余应力存在很大应力梯度的情况。近年来，光学法 逐渐与钻孔法相结合，进行残余应力的测量。n i c o l e t t o 【l8 j 利用云纹干涉法获得了 全场位移信息，通过钻多个孔得到了垂直于焊缝方向的残余应力分布，但是没有 考虑残余应力沿深度的分布。w u 1 9 l 将云纹干涉法与传统的阶梯钻孔法结合，测 量了残余应力沿深度的分布，并得到了广泛的应用。这两种方法与应变片钻孔法 一样，都是假设孔周围的残余应力是均匀的。 亚敏【2 u j 采用云纹干涉与钻孔系统对高强度铝合金6 0 5 6 的搅拌摩擦焊试件的 残余应力的水平和分布进行了测量，其测量结果如图1 2 和图1 3 所示。 图l 一2 描述了焊缝区残余应力沿深度的分布，纵向残余应力呱和横向残余应 力嘶都是拉伸残余应力，他们具有相同的分布趋势，随深度的增加而增加。但o x 比吼大的多，纵向残余应力是搅拌摩擦焊的主要残余应力。剪切残余应力与横 第一章绪论 向应力具有相同的量级，但数值大小在0 附近波动。 从图1 3 可以看出，拉伸残余应力在离开焊缝中心后先减小，然后逐渐增加， 在h a z 达到最大值，最后在进入母材区域逐渐减小，随着离焊缝距离的增加， 残余应力将最终减小为0 ，然后改变方向成为压缩残余应力，以与焊缝区内的拉 伸残余应力保持平衡。在焊缝与热影响区之间存在一个残余应力的低谷，此处即 为搅拌影响区( 热一机影响区) 。残余应力瞰与吼的分布相似。 m ! p t 图1 2 焊缝区残余应力沿深度的分布 芒 萼 善 j 墨 图1 3 纵向残余应力o x 沿垂直焊缝 方向和沿深度方向的分布 g u n t e r t 【2 l j 提出了一个用机械伸长计测量焊接过程中残余应力的技术，该技 术比较简单而且适合于实验室进行研究【2 引。在g u n t e r t 想法的基础上，k o r l a 等 人用打孔应力释放方法完成了对f s w 焊缝残余应力的测量和分析。试验中采用 了y c y 型应力标准尺装置，焊前给定一个应力标准尺长度l o 。两个直径为0 2 m m 的孔是为了测量应力释放前后应力标准尺长度的变化。l 1 是焊后测量的标准尺长 度。l 2 是在平行于焊缝线切缝后标准尺长度，切缝如图1 4 所示。 竹 !l! ：0 一l j 图l - 4 切缝示意图 然后根据下面的式子就可以计算出残余应变和残余应力： d譬-嚣暑d暑忑霉晖 第一章绪论 1 4 搅拌摩擦焊接头残余应力的数值模拟方法的研究进展 ( i - 0 0 - 2 ) 数值模拟技术采用理论计算方法对焊接过程进行模拟计算，对试件的尺寸， 环境条件，焊接工艺参数等进行分析、评价，从而全面地了解影响残余应力的各 种因素及其影响规律。 m i rz a h e d u lh k h a n d k a r 【2 3 j 等利用顺序耦合( s e q u e n t i a l l yc o u p l e d ) 有限元 分析法对三种不同合金a a 2 0 2 4 ，a a 6 0 61 ，s s 3 0 4 l 的f s w 过程中产生的残余热 应力进行了预测，这个模拟过程分为两个步骤：首先要进行热分析以形成焊接过 程的温度历程，然后把分析的结果作为预测应力和应变的结构分析的热输入。要 预测的应力应变主要是由于被拘束金属板内的温度变化产生的。搅拌摩擦焊接过 程利用商业应用有限元软件包a b a q u s 来进行模拟，并把模拟预测结果与试验 结果进行了比较。 热模型是根据k h o m d k a re ra 1 1 2 4 提出的模型进行修改的，用这个模型成功 的预测了温度历程趋势，热量的产生归结于焊具与工件表面的摩擦。在热模型中 只考虑了一块被焊金属板以节省运行时间。在结构模型中只考虑了由于热膨胀而 引起的压力，工件被假定为一个弹塑性同向性材料，从计算领域中去除了垫板和 机器底座部分，只利用热分析中的工件部分。 模拟结果给出了s s 3 0 4 l 垂直于焊缝方向的截面上距离焊缝项面0 5 5 m m 和 2 5 m m 处的横向和纵向应力图。模拟的应力图与对称的温度图相对应，预测的纵 向应力接近于从试验中获得的结果，而横向应力则显示了相当大的差异，在焊缝 中心线处横向残余应力急剧下降之后急剧上升，其主要原因可能是( 1 ) 对称性 的假定，这个假定在对称面上强加了移动约束边界条件；( 2 ) 模型没有考虑在热 机影响区内由于焊具搅拌的影响而导致的塑变；( 3 ) 所考虑的材料的热机械性能 值在整个温度范围内是不合适的。应该指出只有一个焊板被用来做模拟计算，通 过关于焊缝中心线做数据镜像来产生整个领域的应力分布背离了在热机械影响 区内的实际情况，因为焊具旋转的影响，应力分布不可能是对称的。然而，超过 这个狭窄领域，材料的其余部分只受到热影响或是不受影响的母材。如果材料是 真正的同向性，这些区域的应力分布应该是对称的。 对于a a 2 0 2 4 ，在计算过程中考虑了两块焊板，以避免出现如同在s s 3 0 4 l 一厶 = 牛一 第一章绪论 焊缝中横向应力异常高的情况。结果提供了五个层面( 距离顶部表面0 5 m m 和 1 5 m m 处，中间板厚处，距离底面表面0 5 m m 和1 5 m m 处) 的横向、纵向和垂 直方向( 厚度方向) 的残余热应力图( 见图1 - 5 - - 1 7 ) 。其结果与s u t t o ne l a 1 1 3 1 观测的结果一致，但最高纵向残余应力值较大，接近材料在室温条件下的屈服强 度，且纵向应力随着离焊缝距离的增加从拉伸应力转变成压缩残余应力。横向残 余应力的最大值与试验值相接近。o o s t e r k a m pe ra l 1 6 j 在a a 7 0 1 0 8 t 9 的试验中 也观测到了相似的趋势。垂直应力在拉伸和压缩应力之间波动。 日 t o l 啪5 “m t a p - 一和。o 一 一u b ，皂i 舡t 热 一精雠袖5 蓑 瓷 g 宴籼越菱 一。飞耘礤 矿_ _、 l 1 1 。 栩矿 l - 0 ，l 褥- 0 1 - o 0 7 5 - 。5 m 犍50 0o 籀0 o 0 7 5 仉10 1 搏 d i 嘲n c ef r o mc e n t e r l i n e ，i l l l 2 嘲r e e d d u m it r a n 墨v e r s e3 打。薯b 船 l m 埘d ko fw e l 0 3 q m l o p _ 0 5 。n ，t o p , d p h d 坤e 协1 j 蔫一e 柚5 o 1 2 5 饿 帕，a 7 辱“0 ，0 ，0 2 s00 ，0 2 500 500 7 50 1o 1 2 6 d i s t a n c ef r o mc e n t e r l i n e 。m 图1 5a a 2 0 2 4 f s w 接头横向应力分布图 2 0 2 4r e s i d u a ll o n g i t u d i n a ls l 曙囊 ( 7 6r n mh o r ns l a n ) 1 2 5 - 0 0 7 5 。0 0 5 n 500 0 蔫0 0 5o _ 0 7 50 1o - l 笛 d i s t a n c ef r o mc e n t e r l i n e m 2 0 2 4r 幅i d u a ll o n g i t u d i n a ls 翅略s ( m i d d l e 耐w e l d ) 图1 - 6 a a - 2 0 2 4 f s w 接头的纵向应力分布图 的 o 柏 膏乱夏。璧嘉芝譬磊c笆f 柏 o 伽 口乱鉴井矗西i_n西l啦，讳c正j o o 0 o u o口口d 0 田渤蓦；黝|言mo踟獬雠 i幂，嚣ls一是一3嚣翻coi 第一章绪论 2 位4r e s i d u n o r m a ls t r e s s e s 1 7 6m mf r o ms t a r t ) 一7 m n p b l5 童 ) o * 晰15 l - 一 一p l 雏m 0 5 l 娃l l 一一二黔建笺雪l一 一 _ i h 一 萨 蓼 - j 由柁5 也1 。0 0 7 5 。o 洒o 瞄o 0 0 2 5o 沩n 慨0 1o ，为 d i s l l l n c el r o mc e n t e r l i r m 。m a 篮4r e s i d u a ln o r m s t r e s s e s l m i d d l oo fw e l d ) 1 p 一7 却电5 n b 15 d 一夸一b 抑：15 曼 ； 鼍 移 曩|i j i鼍 量矿b疆、：l 。戤盔。 啭强 。j铲型缓要矛落 j _ 3 f 辚毅 j 矗 i 图1 7 从2 0 2 4 f s w 接头厚度方向应力分布图 在对a a 6 0 6 1 的模拟计算过程中，同样考虑了两块焊板，在焊缝长度方向 的中间位置去除了夹具约束。模拟结果也给出了与a a 2 0 2 4 相同的五个位置的 应力图。与a a 2 0 2 4 相比，在接近外边缘的相同位置没有发现附加的波动。这 表明夹紧约束对其下面的残余应力的分布有局部影响。除了这一点，其整个趋势 与a a 2 0 2 4 的应力图相似，最大拉伸应力为纵向应力，它稍稍低于材料室温下 的屈服强度。 张昭【2 5 】利用基于固体力学的有限元方法建立了搅拌摩擦焊接过程的数值模 型，这是一个基于任意拉各朗日欧拉有限元方法的二维模型。采用这个模型来研 究搅拌摩擦焊接构件残余应力的分布情况。整个焊接过程利用商业有限元软件包 a b a q u s 来进行模拟。有限元模型如图1 8 所示。 两块平板的尺寸均为为3 0 x 1 0 0 m m ，搅拌头半径r = 3 m m 。搅拌头在焊接过 程中确认为刚体，平板采用四节点的四边形单元。焊板材料采用a l 6 0 6 1 t 6 ， 作为率无关材料处理，材料的性质是依赖温度的。搅拌头以角速度f 0 做匀速转 动，而平移的速度u 被施加到焊板的纵向边界上。材料模型采用后插欧拉法进行 迭代求解。接触有限元模型采用摩擦接触模型，在这种模型中，采用修正的库仑 定律来描述搅拌头和平板接触面之间的摩擦接触情况。为了能够在可能的时间内 完成模拟过程，把转速和推进速度都增加了1 0 0 0 倍，但是保证v r 0 ) 保持不变。 对于具有截面热阻的传热耦合进行数值模拟体现出明显的双重非线性1 2 6 j 因此采 用试验得到的近似的温度场。计算到最后，焊接构件的温度被降到室温，并且所 有施加在构件的约束被去除，以得到焊接接头的应力分布。 第一章绪论 i t c f c a ll g 摹i d e a d v a n c i n gs 。 ，1 j w e l d i n gl i m e i ui i r 。巡” ，l j ， 狙 i ”j l -， x ， ； “ ， l l l 口 l l 图l 一8 搅拌摩擦焊接的几何模型及边界条件示意图 利用上述数值进行的模拟结果：对于搅拌摩擦焊接构件，纵向残余应力是主 要应力，其最大值总是发生在i - i a z 的边界及搅拌区；纵向残余应力在靠近焊缝 中心线附近总是正值，在靠近边界的地方总为负值；剪切残余应力水平很低以至 于可以忽略不计；前进侧和后退侧的残余应力分布沿焊缝中心线并非严格对称。 模拟结果与以往的残余应力的测量结果是相一致的。 由于在f s w 焊接构件中，纵向残余应力远远大于横向残余应力，张昭，张 洪武【2 7 】利用上述相同的有限元方法以及a l e ( a r b i t a r a yl a n g r a n g i a ne u l e r i a n ) 网j 格 技术建立了f s w 的二维数值模型，对不同材料的纵向残余应力的分布进行了模 拟分析。 结果显示了a l - 6 0 6 1 - t 6 搅拌摩擦焊接构件纵向残余应力以及等效塑性应变 沿垂直焊缝方向的分布，见图1 - 9 。 d ；s l m e ef r o mw a h i i a l il i r t e t m m a 一级向残余心力 a - - i _ d ) g i t u d h l a lr e s i d u a ls t l 鹳s d i a t a u e ef r o mw e l d i n gl h t e m m b 蟹效掣饨巍受 b - - e q l t i x a l e l a tp l a s t i cs m l i n 图1 - 9a l 一6 0 6 1 一t 6 搅拌摩擦焊接构件纵向残余应力沿垂直焊缝方向的分布 越d，嚣笛一再p!嚣b葛晨翟盘哥耵口一 第一章绪论 从图中可以看出，残余应力的分布呈典型的双峰特征，作者将残余应力分布 情况与材料的变形情况进行了对比，发现构件等效塑性应变的分布区域与高水平 的拉伸残余应力的分布区域具有较好的对应关系。 h w z h a n g ，z z h a n g 2 8 j 等利用了与上述张昭等采用的相似的模型对f s w 过 程中的材料的流动模式以及残余应力的发展和分布进行了模拟分析。 他对f s w 过程中不同时间点的应力在径向和圆周( 距离探针与焊板接触点 0 2 5 m m ) 上的分布情况进行了分析，并比较了不同时间点的应力分布的差异。 分析结果表明：时间对剪切应力在圆周上的分布影响很小，由于临界剪切应力的 限制，剪切应力等于或小于临界剪切应力。分析结果还给出了等效塑性应变在圆 周上的分布：探针后面的材料的变形较大，特别是在0 0 0 3 0 0 和3 3 0 0 1 ，此时试板也不发生失稳变形；当l = 3 0 0 m m 时，k = 0 8 6 1 2 1 ， 因此此时试板将发生失稳变形。 然后我们根据上述的方法对l = 5 0 0 m m 和l = 1 0 0 0 m m 的试板进行了具体的失 稳分析。 第五章残余应力条件下薄板变形的预测 5 5 结果与分析 按照上述的参数条件，根据残余应力分布和等效原则确定的焊缝区热载荷及 失稳评定结果如表5 2 所示。同时，结果还给出了在焊缝区域施加等效热载荷后 形成的应力分布，为了便于比较，我们只取了以焊缝中心为分割线的一半试板的 应力分布，如图5 3 和5 4 所示。 图5 3l = 5 0 0 m m 试板等效应力分布图5 _ 4l = 10 0 0 m m 试板等效应力分布 从图中可见，由于施加等效热载荷形成的等效应力的分布趋势与试验测量的 应力分布趋势基本一致，且两个规格的试板的应力分布趋势相同。 表5 2 薄板f s w 对接等效热载荷与失稳评定结果 根据失稳评定结果可知，在f s w 焊接过程中形成的残余应力将导致薄板失稳 变形，对薄板失稳变形分析的具体结果列入了表5 3 中。 第五章残余应力条件下薄板变形的预测 表5 - 3 薄板失稳变形的分析结果 # #试* 月寸i 太拉抻残余捍缝中心应女焊缝# 力最太挠度 1 4 5 m p a 1 4 5 m p a 1 0 0 m 1 0 0 m 图5 - 5 图5 - 8 直观地描绘了两种规格试板的具体变形情况。 心 1 i 1 囤5 - 5l = 5 0 0 m m 变形云圈图5 - 6l - 1 0 0 0 m m 变形云图 争= 二二_ = = = _ 图5 - 7l = 5 0 0 m m 薄板变形 k 三二二二二二二二二二 图5 - 8l = l o o o r z a n 薄板变形 计算结果表明，f s w 焊接过程中形成的残余应力可以导致较大尺寸薄板失稳 从而产生变形，说明了f s w 接头残余应力的存在影响焊接结构的稳定性，所以在 研究f s w 构件残余应力水平和分布的基础上，还要进一步的研究残余应力对焊 第五章残余应力条件下薄板变形的预测 接构件的结构尺寸，力学性能的影响，同时探讨接头残余应力的控制方法。结果 还表明了a 16 0 6 1 t 6 两块试板的残余应力分布基本一致，长度对残余应力的分 布基本没有影响。由于施加的边界条件相当于在自由状态下进行焊接，所以分 析结果的最大挠度较大，而实际的