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铝合金超声辅助搅拌摩擦焊数值模拟及残余应力分析
摘要
铝合金超声辅助搅拌摩擦焊（USASW）技术是一种新近兴起的焊接方法。它在焊接过程中辅以高频振动，使材料在高温高压下得到搅拌均匀，焊缝质量得到提高。本文利用有限元数值模拟方法对铝合金USASW焊接过程进行模拟，并分析了焊接产生的残余应力与变形。结果表明，USASW焊接过程中产生了较大的残余应力，主要集中在焊缝及其周围区域，并与焊缝位置呈现出对称分布的特点。在优化焊接参数的情况下，可以有效降低焊接残余应力，提高焊缝质量。
关键词：铝合金；超声辅助搅拌摩擦焊；数值模拟；残余应力；变形；焊接参数
Abstract
Aluminumalloyultrasonic-assistedstirfrictionwelding(USASW)technologyisarecentlydevelopedweldingmethod.Intheweldingprocess,high-frequencyvibrationisusedtoassistthematerialtostirevenlyunderhightemperatureandpressure,andthequalityoftheweldisimproved.Inthispaper,thefiniteelementnumericalsimulationmethodisusedtosimulatethealuminumalloyUSASWweldingprocess,andtheresidualstressanddeformationgeneratedduringweldingareanalyzed.TheresultsshowthatalargeresidualstressisgeneratedduringtheUSASWweldingprocess,mainlyconcentratedaroundtheweldandshowingasymmetricdistributionwithrespecttotheweldposition.Byoptimizingtheweldingparameters,theresidualstresscanbeeffectivelyreducedandthequalityoftheweldcanbeimproved.
Keywords:aluminumalloy;ultrasonic-assistedstirfrictionwelding;numericalsimulation;residualstress;deformation;weldingparameters
1.引言
随着航空航天、汽车、船舶等行业的快速发展，要求材料的焊接性能也越来越高，尤其是对于铝合金等高强度材料的要求更为严格。现有的焊接方法如电弧焊、气体保护焊等面临着许多限制，如在焊接过程中易产生氧化皮、结构焊接形变大等问题。因此，现有的焊接技术难以适应高强度铝合金的焊接需求。超声辅助搅拌摩擦焊（USASW）技术在上述问题方面有很好的应用前景。
USASW技术是一种利用摩擦热和塑性变形原理进行焊接的方法，与传统的摩擦焊有所不同，它在摩擦热和塑性变形的基础上，引入高频振动，使得焊缝质量得到了显著提高。然而，USASW焊接过程中，由于搅拌过程的存在，焊接工件会产生较大的残余应力和变形，对焊接工件的力学性能和耐久性产生重要影响。为了更好地评估USASW焊接技术的可行性和有效性，需要对其产生的残余应力和变形进行深入的研究。
本文利用有限元数值模拟方法对铝合金USASW焊接过程进行了建模和模拟，并分析了焊接产生的残余应力和变形。通过对焊接参数进行优化，进一步提高焊接工件的质量。
2.理论分析
2.1USASW焊接原理
USASW焊接技术是一种由振动和搅拌等多重作用机理共同作用的金属焊接方法。在USASW焊接过程中，焊接工件在摩擦热和塑性变形的作用下被熔化，同时高频振动使得熔池中的液态金属被搅拌均匀，从而获得较高的焊缝质量。
在USASW焊接过程中，焊接头受到的作用力由以下三个力量组成：搅拌力、摩擦力和振动力。其中，搅拌力是由搅拌工具的旋转和移动所产生的，摩擦力是由搅拌工具和焊接工件之间的摩擦所产生的，振动力是由高频振动所产生的。
2.2残余应力和变形分析
残余应力和变形是焊接过程中不可避免的问题。由于USASW技术的引入，残余应力和变形比传统的摩擦焊要大得多。残余应力和变形会导致工件力学性能的降低、疲劳寿命的缩短等问题。因此，对残余应力和变形进行控制至关重要。
在USASW焊接过程中，焊接工件会经历一系列的过程，包括初期的压实和预制孔洞、进一步的变形和热循环，最终形成完整的焊缝。残余应力和变形主要是由热循环作用、周围环境的影响、材料的应力应变性质等因素所产生