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薄板铝合金搅拌摩擦连接温度场分析

鲍雷  
【摘要】:1991年在英国焊接研究所(TWI)发明出一种新型焊接技术—搅拌摩擦连接技术(Friction Stir Joining,FSJ)。传统的铝合金连接方法中,连接区比较容易出现气孔、裂纹和飞溅等问题。搅拌摩擦连接技术在轻合金连接领域上与其他熔化连接方法相比有着诸多的优势。经过20多年的发展,已经在航空航天、车辆制造和船舶制造等领域得到广泛应用。温度场对控制搅拌摩擦连接接头的质量有关键影响,不同温度场分布会对连接缝表面成形、接头应力以及缺陷的形成都有影响。以前绝大部分是对中厚板铝合金进行温度场仿真研究,对薄板铝合金有限元分析较少。因此,对薄板铝合金搅拌摩擦连接温度场进行研究是十分有必要的。本文使用ABAQUS仿真软件建立6061-T6薄板铝合金搅拌摩擦连接温度场的有限元模型,对搅拌摩擦连接不同位置(焊接前端、中段、尾段)进行有限元仿真分析,获得所选特征点的焊接时的温度变化曲线。通过实验验证了该模型的适用性。利用搅拌摩擦连接技术对2mm厚6061-T6铝合金薄板进行平板拼接实验,根据前人研究和自己试验结合选择试验参数,利用K型热电偶对其FSJ过程中温度场进行实测,绘制温度曲线。通过实验发现,在连接过程中,高温区域主要集中在轴间下方位置,温度峰值一直处在6061-T6铝合金熔点80%左右。连接起始处后退侧的峰值温度比前进侧的峰值温度高;之后处于连接区位置,前进侧的峰值温度比后退侧的稍大;沿前进垂直方向,温度随着距离增加峰值温度快速降低。研究了连接参数对温度场分布的影响,结果表明当搅拌头前进速度一定时,测温点峰值温度会随搅拌头旋转速度增加而增加。但是旋转速度加快,FSJ整个过程中,沿着搅拌头前进方向的峰值温度基本无太大变化。当搅拌头转速一定时,测温点峰值温度会随搅拌头前进速度增加而增加。但是前进速度加快,FSJ整个过程中,沿着搅拌头前进方向的峰值温度逐渐降低,并且随着前进速度的加快,温度梯度变化加快。通过双因素无重复试验的方差分析,可以得出转速对温度的影响较前进速度对温度的影响大。图[30]表[8]参[63]


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