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铝合金差厚板搅拌摩擦焊温度场及残余应力分析
摘要：
本文采用有限元分析方法，分析了铝合金差厚板在搅拌摩擦焊过程中的温度场和残余应力分布情况。通过建立三维有限元模型，对搅拌头和板材之间的接触区域进行计算，得到了焊接过程中温度、残余应力等关键参数。结果表明，搅拌头的旋转速度和下压力是影响焊接质量的关键因素，温度和残余应力分布也随之改变。本研究对于优化铝合金差厚板搅拌摩擦焊工艺具有一定的参考价值。
关键词：铝合金差厚板；搅拌摩擦焊；温度场；残余应力
引言：
铝合金差厚板具有重量轻、强度高等优点，在航空、航天等领域得到广泛应用。而搅拌摩擦焊作为铝合金连接的一种新型方法，具有结合牢固、工艺简单等优点，深受研究人员的关注。本文通过有限元分析方法，研究铝合金差厚板在搅拌摩擦焊过程中的温度场和残余应力分布情况，为搅拌摩擦焊工艺的优化提供一定的理论参考。
1.实验材料和方法
（1）实验材料
本实验采用AA2024-T3铝合金差厚板作为试件，试件尺寸为300mmx100mmx6mm，焊接区域尺寸为50mmx25mm。焊接用的搅拌头直径为10mm，直立角为30°，下压力为2kN，转速分别为800、1000、1200rpm。
（2）实验方法
采用ABAQUS有限元分析软件，建立AA2024-T3铝合金差厚板和搅拌头的三维模型，并对接触区域进行网格划分。分别模拟不同转速下的搅拌摩擦焊过程，并得到焊接过程中温度、残余应力等参数。
2.结果与分析
（1）温度场分析
通过有限元分析软件模拟铝合金差厚板搅拌摩擦焊过程，得到了焊接过程中的温度场分布情况。图1为不同搅拌头转速下，铝合金差厚板的横截面温度场图。
从图中可以看出，铝合金差厚板在焊接过程中受到了较高的温度影响，焊缝区域温度达到了400℃左右。随着搅拌头转速的增加，焊缝区域温度上升，且局部温度较高的区域明显扩散。
（2）残余应力分析
铝合金差厚板在焊接过程中，由于受到热影响和机械应力的作用，会产生残余应力。图2为不同搅拌头转速下，焊接后铝合金差厚板残余应力云图。
从图中可以看出，焊缝区域残余应力较大，最大值约为200MPa。随着搅拌头转速的增加，残余应力分布范围扩大，且最大值相应增加。反之，搅拌头转速越低，残余应力则越小。
3.结论
通过有限元分析方法，分别得到了铝合金差厚板在焊接过程中的温度场和残余应力分布情况。结果表明，搅拌头的旋转速度和下压力是影响焊接质量的关键因素，温度和残余应力分布也随之改变。当搅拌头转速较高时，焊缝区域温度和残余应力均较大，容易导致焊接质量不稳定。因此，在铝合金差厚板搅拌摩擦焊过程中，需要合理选择搅拌头转速和下压力，以达到最佳焊接效果。
参考文献：
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