（材料加工工程专业论文）铝合金薄板搅拌摩擦焊残余应力及失稳变形的预测研究.pdf

摘要 搅拌摩擦焊作为一种新型固态连接技术，目前在航空航天、造船及交通运 输等铝合金结构制造领域获得广泛推广应用。尽管在搅拌摩擦焊过程中不会发 生熔化现象，但由于铝合金导热系数和线膨胀系数大，仍会产生较大的残余应 力和变形，对工程应用尤其是对薄板焊接构件的失稳变形带来很大的影响。目 前国内外许多学者通过试验手段及数值模拟方法对搅拌摩擦焊接热过程及焊接 残余应力进行了许多研究，但针对铝合金薄板失稳变形的研究较少，因此通过 试验与数值模拟相结合的方法来研究铝合金薄板搅拌摩擦焊接头的残余应力和 失稳变形规律，对在大型铝合金薄板结构制造中推广和应用搅拌摩擦焊技术具 有重要工程应用意义。 本文以厚度为5 m m 的5 a 0 6 h 1 1 2 和6 0 6 1 t 6 铝合金薄板构件为研究对象， 对搅拌摩擦焊接过程中产生的焊接失稳变形和残余应力分布规律进行了详细探 讨。首先通过试验方法对搅拌摩擦焊铝合金薄板构件的焊接失稳变形和残余应 力进行测试。失稳变形试验结果表明，铝合金薄板呈马鞍形，变形挠度约为 1 3 m m 。残余应力试验结果表明，纵向残余应力是应力场中的主要应力形式， 5 a 0 6 和6 0 6 l 的残余应力分别为7 1 2 m p a 和8 3 7 m p a ，为各自屈服强度的3 7 5 和3 0 3 ，明显低于熔焊接头的残余应力水平。 其次建立了三维有限元模型并分析搅拌摩擦焊过程中温度场的分布。在温 度场模型中施加边界条件，确定搅拌摩擦焊热源模型，得到整个焊接过程中的 热循环曲线，最高温度值均在各自的高塑性温度区间。 最后采用间接热耦合法把在温度场中得到的热载荷施加到构件模型中，获 得了薄板焊后的残余应力及焊接热弹塑性失稳变形分布特征。残余应力计算分 析表明，5 a 0 6 和6 0 6 1 接头的残余应力数值较大，接近材料的屈服强度，与试 验测量值有较大差异。但基于残余应力计算的等效热载荷法和间接热耦合法得 到的失稳变形结果，与数显百分表的试验测量结果趋势相同，同时相对变形量 吻合较好，误差控制在3 0 以内，说明预测失稳变形的两种模拟方法是可行的。 失稳变形分析结果表明铝合金薄板搅拌摩擦焊后存在较大的残余应力，明显高 于测鼍值，但残余应力的数值分析结果与试验测量值具有相似的应力分布趋势， 说明间接热耦合模型预测铝合金薄板搅拌摩擦焊接残余应力是基本可行的。 关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；残余应力；失稳变形 a b s t r a c t a san e w t y p eo fs o l i dc o n n e c t i o n ，f r i c t i o ns t i rw e i d i n g ( f s w ) i su s e dw i d e l yi n m a n u f a c t u r i n gt h ea l u m i n u ms t r u c t u r a lp a n si nt h ea i r s p a c e 、s h i p b u i l d i n g 锄d t 豫n s p o n a t i o ni n d u s t 叫a l t h o u g ht h e 心i sn om e i t i n gp h o n e m ei nt h ef s wp r o c e s s ， t h er e s i d u a ls t r e s sa n dd i s t o r t i o ni ss t i l lo b v i o u sb e c a u s eo ft h eh i g ht h e 硼a lc o n d u c t i v i 够a n di i n e a re x p a n s i o nc o e h l c i e n t 1 h i sh a sag r e a ti n f l u e n c eo nt h ea p p l i c a t i o n i n e n g i n e e r i n g ，e s p e c i a l l yi nt h eb u c k l i n gd e f 0 m a t i o no ft h et h i ns h e e t 。m o s t s c h o l a r sa th o m ea n da b r o a dr c s e a r c h e dt h e 舯a ip r o c e s sa n dt h er c s i d u a ls t r e s so ft h e f s wb ym e a n so fe x p e r i m e n t 锄dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n 。b l l to n l yal i t t l er e s e a r c h 、a sa b o u ta l u m i n u ma 儿o ys h e e t sb u c k l i n gd e f o m l a t i o n s oi ti sn e c e s s a 叫t 0i n t e g r a t et h en u m e r i c a ls i m u i a t i o na n de x p e r i m e n tt oa n a l y s i st h er c s i d u a ls n c s s 锄d b u c k i i n gd e f o m a t i o ni nt h ea l u m i n u ms h e e tf s wj o i n t s t h e n 锄a l y z et h ef e a s i b i i i 够 o ft h ep i e d i c t i o nm o d e i 。 i nt h i st h e s i s ，5 a 0 6 - h l l 2 明d6 0 6 1 t 6a l u m i n u ma l l o vs h e e t sw i t h5 m m t h i c l ( n e s sa r ec h o a st h es t u d yo b j e c t s t h ew e l d i n gb u c k l i n g 锄dr e s i s t 柚ts n e s s c a u s e di nt l l ef s w p r o c e s sw a si n v e s t i g a t e di nd e t a i l f i r s tt h er e s i s t a n t 如r e s sa n d b u c k l i n gd e f o 珊a t i o no f 斤i c t i o ns t i rw e l d e da l u m i n u ms h e c t s 、a st c s t e dt h r o u g h e x p e r i m e n t s t h eb u c k l i n gt c s t i n gr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es h e e t sh a das a d d i es h a p e a n 盯w e l d e d t h ed e f o r n l a t i o nn e x b i l i t yi sa b o u tl3 m m t t l er e s i s t 锄ts t 他s sr e s u l t s s h o w e dt h a tt h em a i ns 臼e s sd i r e c t i o nw a s a i o n gv e r t i c a l t h e 他s i s t a n ts 打e s so f5 a 0 6 a n d6 0 61i sr e s p e c t i v e l y71 2 m p aa n d8 3 7 m p a ，w h i c hi sr e s p e c t i v e l y3 7 5 a n d 3 0 3 o fi t sy i e l ds t 佗n 舀h t h i sr c s u l t 、a so b v i o u s l yi o w e rt h 锄t h ea v e r a g er e s i s t a n ts t 陀s so ff h s i o nw e l dj o i n t s o nt i l eo t h e rh a n d ，at h r e e d i m e n s i o n a l6 n i t ee l e m e n tm o d e l 、 ，a se s t a b i i s h e d a n dt h et e m p e 戊i t u 旭d i s t r i b u t i o ni nt h ef s w p r o c e s sw a sa n a l y z e d t 1 1 r o u g hi m p o s - i n gt h eb o u n d a c o n d i t i o n si nt h et e m p e r a t u 陀m o d e l ，t h eh e a ts o u r c em o d e l0 ff s w 、 ，a sd e f i n e da n dt h et h e n n a ic y c i ec u r v eo ft h ew h o l e w e l d i n gp r o c e s s 、a so b t a i n e d t h er e s u i t ss h o w e dt h a tt h em a x i m u mt e m p e r a t u r ev a l u e sw e 他a l ii nt h e i rh i g hp l a s t i ct e m p e m t u r er a n g e 。 a tl a s t ，t h eh e a tl o a do b t a i n e di nt h et e m p e m t u r ed i s t r i b u t i o nw a sa p p l i e dt ot h e c o m p o n e n tm o d e lt h r o u g hi n d i r e c tt h e 咖a lc o u p l e dm e t h o d t 1 1 er e s i s t 锄ts t r e s sa n d t h et h e r n l a le i a s t i c - p l a s t i cb u c k i i n gd e f 0 丌n a t i o no fw e l d e ds h e e t sw e 他o b t a i n e d t h e 他s u l t so fc a l c u l a t i n g 陀s i s t a n ts t 旭s ss h o w e dt h a tt h e 佗s i s t a n ts t r c s so f5 a 0 6a n d 6 0 6lj o i n t sw e r en e a r i ye q u a lt ot h em a t e r i a iy i e l ds t r e n g t h t h ed i 仟e r e n c eb e 似e e n c a i c u i a t i n ga n de x p e r i m e n tw a si a 唱e b u ta r e rc a l c u l a t i n gb ye q u i v a l e n th e a tl o a d m e t h o da n di n d i r e c th e a tc o u p l e dm e t h o dw h i c hw e 佗b a s e do nt h er e s i s t a n ts t r e s s ， t h er e s u l tt r e n dw a sa ss 锄ea st h ee x p e r i m e n t a tt h es a m et i m e ，t h e 他l a t i v ed e f o r - m a t i o ni s 锄a t o m i z e dw e i la n de 盯o r sw e 他a nl i m i t e db e l o w3 0 t h i si m p r o v e d t h a tt h i st w ok i n d so fm e t h o d st op r e d i c tt h eb u c k l i n gd e f 0 咖a t i o nw e r ef c a s i b l e t h e r e s u l t so fb u c k i i n gd e f o n l l a t i o ns h o w e dt h a tt h e r ew a sh i g hr e s i s t a n t 蛐r c s si nt h e a l u m i n u ms h e e t sa r e rf s w ：w h i c hw a so b v i o u s l yh 谵h e rt h a nt h ee x p e r i m e n t a l 佗- s u l t s t h en u m e r i c a la n a l y s i sr e s u l t so fr e s i s t a n ts t r e s s 锄dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h es i m i l 盯s t r e s sd i s t r i b u t i n gt 佗n d t h i sp r 0 v e dt h a ti t 、 ，a sf e a s i b l et 0p r c - d i c tt h er e s i s t a n ts 订e s si nf s wa l u m i n u ms h e e t st h r o u g hi n d i r c c th e a tc o u p l e d m o d e l k e yw o r d s ：a l u m i n u ma l l o y ，僦c t i o ns t i rw e i d i n g ，代s i d u a ls t r e s s ，b u c k l i n g 筇一章绪论 1 1 本文选题背景及意义 第一章绪论 搅拌摩擦焊( f s w ) 是英国焊接研究所于1 9 9 1 年发明的一种固相焊接技术， 具有接头质量高、适合异种材料焊接、生产效率和尺寸精度高等优点1 1 1 ，对于 轻金属尤其是铝和铝合金材料的连接方法、力学性能和生产效率上具有其他焊 接方法不可比拟的优越性。其潜在的应用前景在航空航天、汽车工业、船舶建 造及铁路车辆等领域受到极大的关注【2 ，3 】，已有多种铝合金搅拌摩擦焊焊机投入 试验研究和工业应用。国内外有很多设计制造搅拌摩擦焊设备的专业生产公司， 如国外制造的移动门式f s w 设备使用一台移动的龙门起重机，可以焊接长度达 2 m 的焊缝，可焊接铝板厚度为3 1 5 m m ；我国制造的f s w 设备目前主要有c 型、 龙门型和悬臂三个系列【4 】；在工业生产中，2 0 0 5 年，a i r b u s 将搅拌摩擦焊用于 a 3 5 0 机身结构制造，使飞机机身的纵缝连接壁板从8 块减少为4 块1 5 】；在汽车 领域，m a z d a f s s w 用f s w 直接替代铝合金的传统电阻点焊，明显节省能源 和降低成本，消耗电能降低9 9 ，设备投入降低4 0 ，同时2 0 0 6 年该技术已 应用到奥迪汽车铝合金部件制造中f 6 】；挪威的m a r i n ea i u m i n i u m 公司向各大造船 厂提供标准尺寸的采用搅拌摩擦焊连接的铝合金预制型材，缩短了造船周期， 采用搅拌摩擦焊预制板材使船体装配过程更精确、更简单；在高速列车和轨道 车辆的制造中，采用搅拌摩擦焊技术已经成为主流趋势，如住友轻金属公司生 产的挤压型材f s w 焊接拼板，用于日本新干线高速列车的制造，列车时速可达 2 8 5 l ( m h 【刀。 虽然铝合金搅拌摩擦焊在实际应用中得到了很大的发展，但由于铝合金搅 拌摩擦焊时需要施加足够大的顶锻压力和向前驱动力，需要由一定刚性装置牢 固地夹持待焊零件来实现焊接，同时铝合金材料熔点低、比热容大、易氧化、 线膨胀系数大等物理性质使得焊接热过程不稳定进行，温度的不均匀分布使在 拘束条件下的铝合金薄板产生残余应力。在薄板焊接中由于残余压应力的作用 可能导致失稳变形，严重影响焊接的质量，这对我们进一步提高对铝合金搅拌 摩擦焊的认识提出了更高的要求。因此对铝合金薄板搅拌摩擦焊接头的冶金性 能、力学性能、微观机制、无损检测以及焊接模拟试验的深入研究将有利于搅 拌摩擦焊在铝合金制造业的推广应用。但是在实验条件下研究铝合金薄板搅拌 摩擦焊后的残余应力和失稳变形规律需要大量的人力物力，具有局限性。因此 需要借助于数值模拟技术进一步研究铝合金薄板搅拌摩擦焊接过程及焊后残余 第一章绪论 应力和变形规律。 本文以铝合金薄板为研究对象，经上海航天设备制造总厂搅拌摩擦焊机焊 接后，对其失稳变形和残余应力进行了测量，同时建立了有限元模型，分析搅 拌摩擦焊过程中的温度场、残余应力场和焊后变形，最后把模拟值与试验测量 相结合来分析用数值模拟进行预测的可行性，为进一步在数值模拟的基础上降 低残余应力和变形提供合理的有限元模型。 由此可见，用数值模拟技术来研究铝合金薄板搅拌摩擦焊接头残余应力和 失稳变形具有重要的现实意义。 1 2 铝合金搅拌摩擦焊接接头残余应力的预测方法研究 1 2 1 铝合金f s w 残余应力试验测量方法的研究 f s w 残余应力的测量方法主要有x 射线衍射法、中子衍射法、应力释放法、 云纹干涉法、超声波法和电磁法等。 x 射线应变法是一种非破坏性试验的常用方法，可测量内部和表面的应变。 pjw c b s t e 一8 j 等人通过x 射线同步加速器应变仪测定a a 7 10 8 铝合金焊缝横 截面处的残余应力分布，结果表明，纵向残余应力场在焊缝区是拉伸应力，接 头处的应力下降梯度较大。焊缝边缘到边界为压缩残余应力，二者平衡。残余 应力的变化范围在6 0 m p a 和1 4 0 m p a 内，横向残余应力较小但是在厚度方向上 变化显著。o m 盯h a t a m l e h 【9 】利用x 射线对三块尺寸分别为 6 1 0 m m 3 0 5 m m 1 2 5 m m 、4 1 0 m m 1 0 0 m m 1 2 5 m m 和1 2 5 m m l o o m m 1 2 5 m m 的2 1 9 5 铝锂合金在焊核区、热机影响区、热影响区和母材部位进行测量，确定 工件表面的纵向残余应力大小及分布。结果发现大板的最大拉伸残余应力为 1 9 9 m p a ，位于后退侧，前进侧为18 9 m p a ，拉伸残余应力在焊缝中心线处有所 降低，为1 6 6 m p a ；随着与焊缝距离的增加，拉伸应力转变为压缩应力；中板具 有相似的应力分布趋势，但是数值大小降低；小板表面的残余应力为压缩残余 应力。 j i m i _ _ 卜 l 一_ + w c u d - “m ? 、l | 1 ii 至至 删删 至 1 r rtt _ 一 甲燃嘻甲甲。电 图l - l 残余应力测鼍点 2 第一章绪论 o m a rh a t a m l e h i i 叫等人用同样的方法对2 1 9 5 和7 0 7 5 铝合金的残余应力进行 了测量，测量点如图1 1 所示。结果表明焊缝处的横向残余应力显著低于纵向 残余应力。试验得到在a 和e 处的残余应力显著低于b c d 处的数值，然而a 和e 处在母材区的残余应力却很高。这些结与p e e l l l l 】的结果相矛盾，p e e l 认为两侧母 材区的残余应力为压缩应力来平衡拉伸残余应力，横向残余应力显著低于纵向 残余应力，在其他研究中也得出了相似的结果1 1 2 14 1 。 m i c h lbp r i m e i ”j 等人用中子衍射法对厚度为2 5 4 m m 的7 0 5 0 t 7 4 5 l 和 2 0 2 4 - t 3 5 l f s w 搅拌摩擦焊对接接头的残余应力进行测量，其中7 0 5 0 位于后退 侧，2 0 2 4 位于前进侧。结果表明，即使在厚板、不同材料和高强度铝合金中， 产生的残余应力很小，峰值应力约为4 3m p a ，低于材料屈服强度的2 0 ，是熔 焊接头中所达不到的。s t a r o n l l 6 l 也利用中子衍射法对a a 2 0 2 4 t 3 5 1 搅拌摩擦焊 对接接头的残余应力进行了测量，但得到的结果与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、冷却条件不同造成的。 最经典的残余应力测量方法是应变片钻孔法【1 7 1 。李亭等用小孔法对尺寸 为1 5 0 m m 6 0 m m 3 m m 的2 0 2 4 一t 4 铝合金薄板搅拌摩擦焊对接接头的残余应力 进行了测量。结果表明，f s w 接头残余应力以纵向残余应力为主；纵向残余应 力在焊缝两侧呈不对称分布，在拉应力区，前进侧应力值高于后退侧：纵向残 余应力的峰值出现在前进侧轴肩作用边缘处，约为1 6 4 5 m p a ，为母材屈服强度 的4 3 9 ；残余应力的不对称分布是温度和搅拌针搅动共同作用的结果，并示 意的表示了这种叠加作用。如图1 2 所示。 卜 入一 一7 鼍删 凡 t 瑚 一 ， ( a ) 温度场对纵向残余应力的影响 ( b ) 机械搅拌作用对纵向残余应力的影响 遗 r i ， 、_ 一 ( c ) 温度和机械搅拌作用对纵向残余应力的影响 图l - 2 温度场合机械搅拌作用对纵向残余应力的影响 但由于小孔法存在着以下缺点【1 9 2 0 1 。1 ) 钻孔释放的残余应力是随离孔周的 第一章绪论 距离迅速递减的，而应变片距离孔周是有一定的距离的，对释放的残余应变的 敏感度降低；2 ) 应变片测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 梯度很大的情况。近年来，光学法逐渐与钻孔法相结合，进行残余应力的测量。 亚引2 0 l 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三 维残余应力水平和分布进行了测量。结果表明，纵向和横向残余应力都是拉伸 残余应力，具有相同的分布趋势，随深度的增加而增加，但纵向残余应力更大， 是搅拌摩擦焊的主要残余应力；剪切残余应力与横向残余应力较小，在o 附近 波动。 m i ny a l 2 l j 也采用云纹干涉与钻孔法相结合的方法来对搅拌摩擦焊后的工件 进行三维残余应力的测量。板件的尺寸为1 8 0 m m 1 3 0 m m 2 m m ，在厚度方向以 0 1 m m 为增量钻深为o 7 m m 、直径为2 m m 的孔，得到垂直焊缝点的应力分布。 孔深0 1 m m 时应力最大，随孔深增加应力降低并达到稳态；纵向残余应力大于 横向残余应力。图1 3 所示为云纹法和小孔法在焊缝处两点残余应力值的对比 图。两种方法测得的残余应力分布基本相似，但小孔法测得的数值比云纹法要 低。m i ny a 认为试板发生了轻微的扭曲，钻孔过程中由于夹具的作用施加了额 外的弯曲应力，应力场不能忽略。而对于云纹法，弯曲应力不是局部应力，因 此应力释放对孔的边界有很小的影响。基于此，云纹法测得的结果比小孔法更 接近实际的应力状态。 图1 3 小孔法与云纹法测量残余应力对比 从以上的实验测量方法中，可以得到如下结果。第一，纵向残余应力场在焊 缝区是拉仲应力，接头处的应力梯度较大；第二，前进侧与后退侧的拉伸残余 应力大小不等，且后退侧略大些；第三，母材区为压缩残余应力来平衡焊缝区 的拉伸残余应力，横向残余应力大小显著低于纵向残余应力；第四，由于焊接 过程中的热参数、环境、冷却条件等不同，用相同的方法测得的残余应力也会 存在较大差异：第五，相对于小孔法的局限性，云纹法测得的结果更接近实际 4 一鼍j一暑三，量lc 第一章绪论 的应力状态。 1 2 2 铝合金f s w 残余应力数值模拟方法的研究 尽管通过试验方法对铝合金搅拌摩擦焊接接头的残余应力研究取得了一些 进展，但由于铝合金搅拌摩擦焊接残余应力在厚度方向的不均匀分布，使得 x i m 和小孔法不适用；中子衍射法适用于三维残余应力的测量，但在工程应用 中比较昂贵；用云纹干涉可对薄板搅拌摩擦焊件进行测量，但应用不广泛。这 些局限性使得单纯的试验难以全面了解应力复杂的分布特点，因此有必要采用 有限元分析的方法来研究搅拌摩擦焊及外界条件对焊接过程的影响，从而全面 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 lhl ( 1 l a n d k a r 【2 2 】等根据k h o m d k a re ra l 【2 3 】提出的热模型进行修改， 预测温度历程趋势并把热量的产生归结于搅拌头与工件表面的摩擦热，用间接 热耦合法对a a 2 0 2 4 、a a 6 0 6 1 和s s 3 0 4 l 进行了残余热应力分析，得到在三维 应力场中，纵向残余应力最大，接近室温时的屈服强度。 根据a s k a r i 掣2 4 键出的搅拌摩擦焊模型，塑性变形的摩擦热是稳态搅拌摩 擦焊过程的主要热源形式，搅拌区被塑性化，经历了塑性变形而不是滑移变形， 因此忽略顶锻压力的作用。基于此，r 萄e s hsr 【2 5 1 等在搅拌头周围建立了3 d 有 限元模型，忽略了顶锻压力的影响。采用a 1 6 0 6 1 t 6 铝合金，尺寸大小为 1 0 0 m m 7 0 m m 1 2 m m ，为建立f s w 搅拌区的金属流动模型，改变了轴肩和搅拌 针的直径，如图1 - 4 所示。 巩。 卜 1 一h _ 柚 s h 蜘? m h - ：巴品= = z j i 弓莓暮手事三墨： h 一一蔓至釜乏= 罩 一每辚= 戋：型苎一! ，! j - 0 - 舯h h i _ ：j 。，二n ”舯n r ” ：叫收釜与，o 图1 - 4f s w 搅拌区金属流动模型 把数值模拟后的残余应力结果与切条法得到的残余应力相比较，两者吻合 的较好。最大纵向残余应力约为母材屈服强度的2 4 。由于前进侧和后退侧的 塑性变形不对称，使得残余应力分布也具有不对称性。 张昭1 2 6 】利用基于固体力学的有限元方法建立了f s w 过程的数值模拟，把转 速和焊接速度都增加了1 0 0 0 倍。计算结束时所有约束都被去除，以得到焊接接 第一章绪论 头的残余应力分布。结果表明，对于搅拌摩擦焊构件，纵向残余应力是主要的 应力形式，最大值位于焊缝区域；纵向残余应力在焊缝中心线附近总是正值， 靠近边界的地方总为负值；剪切残余应力很小几乎可以忽略；前进侧和后退侧 残余应力沿焊缝中心线处呈不对称分布。 c m c h e n i z 7 】等针对铝合金搅拌摩擦焊所建立的三维热机械模型包括轴肩 的机械作用，对尺寸为2 4 0 m m 5 0 m m 6 m m 的6 0 6 1 t 6 铝合金搅拌摩擦焊进行 了热和热应力模拟，分析约束和焊接速度对残余应力大小的影响。模拟和测量 结果表明纵向和横向的最高温度梯度位于轴肩边界，同时焊件上表面的纵向残 余应力大于横向残余应力；随着焊接速度的提高，纵向残余应力更大，而横向 残余应力变化较小；约束的释放将引起焊件应力的再分布。焊接速度为 1 4 0 m m m i n 时，得到约束释放前的最大残余应力为1 3 9 m p a ，释放后的最大值为 7 4 3 m p a ，应力值降低很显著；厚度方向上的残余应力很小，在1 7 8 3 m p a 范 围内，比横向和纵向残余应力小得多，可以忽略。 不考虑搅拌针的机械作用时，由于热源的对称性使得焊缝垂直方向的残余 应力结果也具有对称性。l i v 锄f r a t i n i 【2 8 】等人在搅拌摩擦焊热源模型的基础上加 入搅拌针的机械搅拌作用，对10 0 m m 7 0 m m 3 m m 的a a 2 0 2 4 t 4 铝合金的三维 残余应力分布进行了分析。模拟过程分为搅拌头旋转下降和焊接阶段，施加边 界条件，得到在厚度为1 5 m m 处焊缝垂直方向的温度、应变及应变速率分布。 由于前进侧和后退侧材料流动的不对称，导致焊缝两侧温度和应变也不对称。 应变及应变速率比温度场的不对称性更明显，且最大值位于前进侧。利用上述 进行的数值模拟得到在焊缝垂直方向上三维应力的大小和分布，z 向残余应力在 零附近，几乎可以忽略；纵向残余应力比横向残余应力值稍大，最大值位于前 进侧轴肩的边缘。在不同厚度的焊缝垂直方向上，除底面外，其它厚度上的纵 向残余应力在分布趋势上较吻合。在焊缝方向上，纵向残余应力大小约为 4 0 m p a ；中间部位的应力大小不一致是由于在旋转下降阶段产生的热量进行扩 散的结果，由于残余应力与温度相关，因此纵向残余应力的峰值出现在热作用 区。 从以上数值模拟中，得到如下结果。第一，在三维应力场中，纵向残余应 力最大，z 向残余应力最小，在零附近波动几乎可以忽略；第二，由于搅拌针 的作用，前进侧和后退侧的塑性变形不对称使应力分布具有不对称性；第三， 约束释放对残余应力的再分布有很大影响，应力值有很大的降低。 1 2 3 铝合金f s w 残余应力控制技术的研究 f s w 产生的残余应力对焊接接头质量及力学性能产生较大的影响，可以导 6 第一章绪论 致构件变形、脆断、疲劳裂纹扩展【2 9 3 0 】等使接头发生失效。因此有必要研究控 制接头残余应力的措施。 在焊接过程中或焊后，沿焊缝方向进行纵向拉伸，可以降低变形程度和拉 伸残余应力。可采用的拉伸方法有以下两种。 ( 1 ) 机械拉伸。通过夹具牵引被焊接金属板的端部进行拉伸； ( 2 ) 热拉伸。在焊缝处喷射低温液体或在靠近焊缝处加热，从而沿焊缝中心 线产生热拉伸应力。 o m a r h a t a m l e h i 州等人对4 1 0 m m 1 0 0 m m 1 2 5 m m 的2 1 9 5 铝合金进行了应 力拉伸、喷丸硬化和激光喷丸处理。应力拉伸在m t s 试验机上进行，载荷在 0 1 7 2 m p a 间( 上限为屈服强度的7 3 ) 。焊后状态的试件在首次应力拉伸中得 到最大的应力松弛，随着应力拉伸次数的增加，应力释放逐渐变小，与之前的 研究结论具有一致性【3 l ，3 2 1 。 喷丸硬化和激光喷丸后，工件表面的残余应力明显降低，且激光喷丸后的 效果更好；表面喷丸后的残余应力数值经应力拉伸后变化不大。焊后状态的压 缩残余应力即使经过1 0 0 0 次应力拉伸后仍然为压缩应力状态。 i ：蠢搿1 _ 曼 “”c ：! ”? ”：。o o q o o o5 、o 。： ： 1 。如：型 叠酗翘磁副 ；a 厶-筝：x 、一r ：麓夸一li ：盘= = 懋，。、l 6 1 il ：誊：裟；，蔷；i t _ 啊- - 图1 5 未处理和激光喷丸在厚度上的残余应力 图l - 5 所示为未处理和激光喷丸状态在厚度上的残余应力的对比，结果表 明激光喷丸在焊后拉伸残余应力松弛上具有有效性：经过l o o o 次应力拉伸循环 后压缩残余应力有所降低，但对于距上表面3 5 m m 以内的压缩残余应力，即使 经l o o o 次应力循环后仍保持较高的数值。 sww i l l i a m s 和da p r i c e 【弱】等利用机械拉伸方法降低焊缝残余应力来控制 焊接变形的研究表明。在焊接过程中或焊后拉伸被焊板材，可以减小或消除弯 曲变形。德国ps a t r o n 【1 6 】等采用机械预拉伸法降低厚度分布为6 3 m m 和3 2 m m 的2 0 2 4 铝合金接头拉伸残余应力，用以改善f s w 接头抗腐蚀能力，预拉伸应力 为母材屈服强度的7 0 。日本h i r o y 嬲un i s h i l ( a w a 采用与搅拌头同时移动的两个 t i g 焊热源，加热焊缝两侧来控制型材搅拌摩擦焊中的张开变形。 柴鹏，栾国红【3 4 j 等利用简易的动态控制低应力无变形( d c l s n d ) 焊接装 第一章绪论 置，研究其对搅拌摩擦焊接头残余应力水平及其分布的影响。试验结果表明采 用d c l s n d 技术可以有效控制搅拌摩擦焊结构中的残余应力水平及分布。 李光【3 5 】等基于动态低应力无变形的焊接技术原理，设计了一套适于f s w 的 热沉系统【3 6 】，研究f s w 接头残余应力分布与宏观变形。试验采用 5 0 0 m m 1 5 0 m m 3 m m 的5 a 0 6 铝合金，由于射流冲击冷却和沸腾换热这两种强 烈的对流换热方式相互耦合，可以在搅拌摩擦焊接过程中形成有效的温差拉伸 效应。图l - 6 所示为常规f s w 和采用带热沉的d c l s n d 技术获得的f s w 接头残 余应力分布。常规f s w 残余应力峰值为1 3 2 m p a ，约为母材屈服强度的8 0 ； d c - l s n df s w 接头的残余应力峰值为6 0 m p a ，为常规f s w 接头残余应力峰值 的l 3 l 2 。常规f s w 接头的拉伸应力范围为2 0 2 0 m m ，而d c l s n df s w 接头 的拉伸应力范围为1 0 7 5 m m ，拉伸应力区明显变窄，接头整体应力水平大幅 下降。 芒 罨 囊 墨 墓 图1 - 6f s w 试件纵向残余应力分布 从以上控制技术研究中，可以得到以下结果。第一，机械拉伸和热拉伸可 以使残余应力水平大幅降低；第二，喷丸硬化和激光喷丸使得工件表面的残余 应力明显降低；第三，温差拉伸法可以使拉伸应力区明显变窄，接头整体应力 水平大幅降低。 1 3 薄板焊接失稳的预测方法研究 由于目前焊接试验研究和模拟中使用的试样尺寸都很小，焊后变形不明显， 因此，几乎所有相关的实验和模拟都只关注了残余应力的产生和分布，而忽略 了残余变形的存在。但一些试验研究【37 】发现，利用搅拌摩擦焊接铝合金薄壁件， 特别是大尺寸薄板，由于其刚度较小，焊后存在不可忽视的残余变形，焊件接 头中残余变形的存在会对其尺寸精度、装配精度和使用性能造成显著影响，因 此掌握f s w 残余变形规律对指导生产具有重大意义。 8 第一章绪论 1 3 1 薄板焊接失稳数值模拟方法的研究进展 在过去几十年中，许多有限元模型和实验用来研究焊接过程所引起的平板 变形现象。z h a n g 、m u r a k a w a 和u e d a 利用固有应变法分析对接接头中的变形。 t s a i 【3 8 】等用热弹塑性分析、大变形分析和实验来研究平板焊接中的屈曲现象。 m i c h a l e r i s 【3 9 】等比较了s a w 、g m a w 和f s w 对接接头的变形倾向。 闰俊霞等对大型薄板焊接后的失稳变形进行了预测，采用小变形线性和非 线性的热弹塑性有限元方法，将二维热弹塑性数值模拟与三维平板接头的屈曲 分析结合起来了，通过二维热弹塑性有限元方法获取残余应力的分布，随后将 残余应力等效为热载荷，最后进行增量热载荷方式下的失稳条件与变形大小分 析。通过数值模拟和实验结果的对比，两者基本一致，证实这种方法是有效的。 显然二维热弹塑性有限元法计算残余应力可以减少时间。 陆皓【删用基于固有应变等效热载荷的有限元方法对6 0 0 m m 3 0 0 m m 3 m m 的铝合金薄板进行数值分析，与测量结果吻合较好。计算值略小于试验测量值 主要是忽略了收缩引起的角变形。固有应变等效热载荷法对大型薄板铝合金的 模拟具有高效性，可减少计算时间。 d e 锄d e n g l 4 1 】等对带加强筋的薄板的变形进行了数值模拟。采用热弹塑性 法和基于固有应变的有限元方法相结合方法预测焊接变形。利用热弹塑性有限 元模型计算大型薄板两种结构形式的固有变形，再通过大型薄板变形的预测， 证明了固有应变方法的有效性，并分析焊接热输入、焊接顺序和厚度等对变形 的影响。基于固有应变理论的弹性有限元方法可用于预测焊接变形，即使在大 型薄板中计算所需的时间也较短，不仅可用于焊接变形，而且可用于优化结构 设计。 史清宇1 4 2 】等人对尺寸为6 0 0 m m 3 1 5 m m 3 m m 的6 0 5 6 铝合金薄板进行实验 测量和数值模拟。搅拌摩擦焊后，利用三坐标测量仪对薄板的整体变形进行测 量，得到薄板在焊缝长度方向上挠度约为3 5 m m 。宽度方向的下凹挠度约为 5 m m 。利用有限元方法建立了三维的铝合金薄板搅拌摩擦焊接热力耦合模型， 施加边界条件时，将卡具作用用等效的热学和力学边界条件来代替，将焊件表 面不和卡具接触部分的散热条件按照一般空气条件下的对流换热进行处理，而 和卡具接触的焊件表面则处理为随温度变化的函数并且均采用刚性固定约束。 热源模型考虑轴肩和搅拌针的摩擦热作用及轴肩的顶锻压力，模拟和实验结果 测得的温度分布在趋势上完全致，都是反马鞍状变形，沿长度方向向上凸起， 沿宽度方向向下凹陷，上表面的塑性应变总和大于下表面。对于简单结构，三 维热弹塑性有限元方法是可行的，但对于大型结构的计算工作量非常大。 从上述薄板预测的数值模拟中，可以得到以下结果。第一，预测焊接变形 9 第一章绪论 的方法主要有基于残余应力和固有应变的等效热载荷法，比热弹塑性法具有高 效性；第二，焊接失稳变形具有相同的趋势，都是反马鞍状，沿焊缝方向向上 凸起，焊缝垂直方向向下凹陷。 1 3 2 薄板焊接失稳控制技术的研究 郭绍庆1 4 3 】等对温差拉伸法控制铝合金薄板焊接残余变形的效果和规律进行 了研究。结果表明不采用整体预热时，难以形成马鞍形的温度场，此时减小焊 接变形的机理主要是焊接线能量的等效降低；采用整体预热后，能够造成一定 程度的温差拉伸，减小焊接变形的效果明显提高：利用中间冷却两侧加热的静 态拉伸能形成显著的马鞍形温度场，充分发挥温差拉伸的作用，有效地减小了 焊接变形，静态与动态温差拉伸相结合，能获得很小的焊接变形。 为减小铝合金薄板搅拌摩擦焊后的变形量，李光【3 5 】等用冷却方法对尺寸为 5 0 0 m m x l 5 0 m m 3 m m 的5 a 0 6 铝合金薄板搅拌摩擦焊接。结果表明，常规f s w 试件的最大弯曲变形量为1 5 6 m m ，而d c l s n df s w 试件的最大弯曲变形量仅 为0 6 2 m m ，由于动态冷却f s w 焊缝处残余拉应力区域和残余应力峰值都得到有 效控制，所以d c l s n d 技术可有效减小f s w 接头宏观变形，证明温差拉伸法可 以降低焊接变形的有效性。 ma d a k 和nrm 卸d a i m j 也利用热沉系统来控制焊接变形。在薄板底面的焊 接部位用循环水进行冷却，以增加温度下降梯度来减小变形。图1 7 和1 8 中 所示分别为3 0 5 m m 2 4 0 m m 6 m m 和3 0 5 2 4 0 m m 8 m m 的薄板在无水冷却、实验 冷却条件和数值模拟冷却时，在焊缝方向边界处的变形量分布。 234567o 1 23 4 567 c a 宙d o 妯妇蜘出- o d 啪i d 帅幽n 口啦e 蛳_ 厚度6 m m 的试样边界变形量 图1 8厚度8 m m 的试样边界变形量 章明明和李敬勇1 4 5 1 利用预拉伸应力作用，焊接了厚度为4 m m 的5 a 0 6 铝合 金试板，通过焊接试板挠曲变形量的测定，探讨预拉伸应力对铝合金焊接变形 的影响。实验结果表明，预拉伸法可以有效减小铝合金薄板焊缝处的挠曲变形 量。由于预拉伸应力扩大了高温下焊缝附近的塑性变形区，从而增强冷却过程 l o ”们们吣” ，l暑ui置誊-8 i一；u5一譬io 第一章绪论 中该区域抗塑性拉应变的能力，减小了焊件的挠曲变形。 为控制薄板焊接中的屈曲变形和残余应力，x ud 【4 6 】等采用了非接触电磁力 方法。实验结果表明，施加电磁力可以有效地消除屈曲变形和焊接残余应力。 同时建立三维有限元模型来分析焊接和电磁力作用过程中残余应力的变化，预 测结果与试验结果吻合较好。数值模拟分析表明，由于焊缝区塑性应变场的变 化使得变形和残余应力降低，电磁力作用降低了焊缝区纵向压缩塑性应变，甚 至产生了拉伸塑性应变。 从以上薄板变形控制技术的研究中，可得到以下结果。第一，温差拉伸法 和预拉伸法可以有效地降低焊接变形量，减小马鞍形变形趋势；第二，非接触 的电磁力方法降低了焊缝区纵向压缩塑性应变，可以有效地消除屈曲变形。 1 4 本文研究内容 本文以尺寸分别为5 5 0 m m 4 0 0 m m 5 m m 和6 2 0 m m 4 0 0 m m 5 m m 的 5 a 0 6 - h 1 1 2 和6 0 6 1 t 6 铝合金薄板为研究对象，经上海航天设备制造总厂搅拌 摩擦焊机焊接后，分别使用百分表和电阻应变仪对其失稳变形和残余应力进行 测量。在试验测量基础上，分析有限元模型预测残余应力和失稳变形的可行性。 首先建立了铝合金薄板的有限元模型，施加热源和边界条件得到搅拌摩擦焊过 程中温度分布和热循环曲线：其次利用间接热力耦合方法对残余应力场进行模 拟，施加约束条件和进行参数优化，得到薄板焊后的残余应力，将其与切条法 测量的