铝合金平板搅拌摩擦焊接应力变形分析.pdf

第29卷第2期焊接学报Vol.29No.2
2008年2月TRANSACTIONSOFTHECHINAWELDINGINSTITUTIONFebruary2008

铝合金平板搅拌摩擦焊接应力变形分析

李红克,史清宇,王鑫,李亭3
(清华大学机械工程系先进成形制造教育部重点实验室,北京100084)

摘要:针对6056-T6铝合金平板进行搅拌摩擦焊接和试板变形检测试验。并用数值
方法对试板变形进行模拟,考察了模拟温度、应力场分布和试板变形情况,对试验和模
拟温度、变形进行比较。结果表明,在文中条件下,沿焊缝长度方向试板产生下挠,最大
变形量6.3mm;沿试板宽度方向试板相对发生上拱,最大变形量4.5mm,模拟与实测变
形趋势非常吻合。纵向残余应力在焊缝中心线两侧非对称性分布,前进侧大于回转侧。
关键词:搅拌摩擦焊;焊接变形;数值模拟
中图分类号:TG435文献标识码:A文章编号:0253-360X(2008)02-0081-04李红克

0序言焊,焊缝总长360mm。搅拌工具轴肩直径13mm,搅
拌针直径5mm,长2.6mm,倾角2°。被焊板材置于
搅拌摩擦焊[1](frictionstirwelding,简称FSW)是钢质垫板之上,上部焊缝中心两侧施加4对固定约
一种新型固相连接技术。由于材料在熔点以下温度束,装配如图1所示。工艺参数为:转速1850转/
实现成形与连接,因而能够避免母材成分损失,减少min,焊速700mm/min,焊接过程测量搅拌工具下压
焊接缺陷,保持力学性能[2]。通常认为FSW可以获力和转矩,同时在距焊缝一定位置处测量焊接过程
得较小残余应力和结构变形[3]。但对较大尺寸薄温度。相关FSW试验在德国科隆DLR和EADS德
板,实际发现还是存在变形现象。因而,开展FSW国研究中心合作完成。
变形研究十分必要。而且,FSW已进入工程结构应
用阶段,对结构可能产生的变形进行研究,也是该技
术的一个发展方向。尽管对于熔化焊接变形数值模
拟已具有坚实的理论、实践基础[4],但对FSW,除存
在与熔焊相似温度场作用外,同时还存在较大外部
压力、转矩作用。因而,研究该技术特点下数值方法
在焊接试板变形中的应用,也是复杂工程结构变形
模拟的必要前提和基础。图1焊接装配示意
Fig11Assemblyofpanelandconstraintplates
针对航空结构用6056-T6铝合金平板进行
FSW试验,检测并记录相关参数,采用三坐标仪测
焊后试板在三坐标测量仪上进行变形检测。检
量试板变形情况。同时利用数值方法模拟焊板温
测数据点呈网格分布,网格间距20mm×20mm。
度、应力场及变形行为,比较实测变形与模拟结果的
差异,为复杂结构FSW变形研究提供基础。
2焊接变形数值模拟
1FSW试验及变形测量
2.1数值模型
FSW数值模拟采用ABAQUS商业软件建模。
焊接材料6056-T6,单个焊板规格400mm×
焊接温度场和应力变形以解耦方式计算。模型尺寸
150mm×3mm。焊接起始及终了端各留20mm未
及组配与试验过程一致。对被焊铝板,采用三维实
体单元厚度方向划分两层。沿宽度方向划分单元
收稿日期:2007-05-09,
3参加此项研究工作的还有刘园时,焊缝区采用较细的单元网格,其他部位则采用粗
82焊接学报第29卷

化及过渡网格。钢质垫板与上部压板则采用壳单元应力变形分析中边界条件主要包括垫板支撑作
建立,网格划分与被焊板材类似,单元详细信息可参用、上压板固定约束、侧边位移约束和在上述约束去
阅相关文献[5]。模型及单元划分如图2所示。除后为防止焊板刚性位移而施加的固定约束。
2.4材料性能
模型所采用的材料性能由EADS德国研究中心
提供,如图3,图4所示。

图3热导率和比热容与温度关系
Fig13Thermoproperties

图2几何模型及网格划分
Fig12Geometricmodelandmeshforweldingpaneland
backingplate

2.2焊接温度场计算
在稳定焊接阶段,假设热输入为常数,输入总热
量可由搅拌工具转矩计算得到
Q=ηωM=2πηnM/60(1)

式中:Q为总热量,单位W;η为功率系数,这里设为图4材料屈服强度和断后伸长率与温度关系
0.92;n为搅拌工具转速,单位r/min;M为转矩,单Fig14Yield,tensilestressandelongation
位N/m。
总热量被划分为轴肩面热源和搅拌针体热源两
种形式分别施加于搅拌工具作用区域。搅拌针热量3结果与讨论
采用简化方法,以总热量的25%计算[6]。
温度场计算过程中主要边界条件为焊板底面与3.1温度场模拟结果
钢质垫板、上压板之间的接触热传导,以及焊板、垫焊接稳定