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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5mm的5A06-H112和6061-T6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13mm。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,5A06和6061的残余应力分别为71.2MPa和83.7MPa,为各自屈服强度的37.5％和30.3％,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,5A06和6061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30％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,明显高于测量值,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。