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基于复合搅拌摩擦焊的6063铝合金焊接接头残余应力控制研究
摘要：
本论文以复合搅拌摩擦焊（FSW）为焊接方法，对6063铝合金进行了焊接接头残余应力的研究。研究过程中，采用了实验和数值模拟相结合的方法，探究了不同焊接工艺参数对焊接接头残余应力的影响，并提出了有效的残余应力控制方法。结果表明，通过适当调整焊接转速和进给速度，可以获得较小的残余应力，同时可通过后续的热处理进一步降低残余应力。
关键词：复合搅拌摩擦焊，6063铝合金，焊接接头，残余应力，数值模拟
第一章绪论
1.1研究背景
随着工业制造水平的不断提高，金属焊接作为一种重要的连接方法，被广泛应用于各种行业领域中。然而，传统的焊接方法如电弧焊、气焊等存在着成本高、污染大、焊缝气孔等缺陷和限制。因此，近年来各国学者对焊接领域不断开展探索和研究，积极寻找新型的焊接方法和工艺。
复合搅拌摩擦焊（FSW）作为一种新兴的焊接技术，由于其高效、环保、节能、无辐射等特点，获得越来越广泛的应用。相比于传统焊接，FSW焊接具有更小的热输入、较小的氧化和脆性裂纹的风险，形成的焊缝质量也更好。同时，FSW焊接还可以对焊接材料进行变形加工，从而改善焊接区域的微观组织结构和性能。
在FSW焊接中，焊接接头残余应力是一种重要的焊接缺陷，往往会对焊缝的组织结构、力学性能和耐腐蚀性能产生负面影响。因此，如何有效地控制焊接接头的残余应力，成为了焊接研究领域亟待解决的问题。
1.2研究意义
本文以6063铝合金为焊接材料，以FSW为焊接方法，通过实验和数值模拟相结合的方法，探究了不同焊接工艺参数对焊接接头残余应力的影响，并提出了有效的残余应力控制方法。本文的研究结果能够为类似材料的焊接接头残余应力控制提供一些有价值的参考和借鉴，具有重要的研究意义和应用价值。
第二章文献综述
2.1FSW焊接工艺及其特点
FSW焊接是一种在不添加任何填充材料的情况下，通过搅拌和摩擦热作用完成的焊接技术。焊接中，焊接头经过专门设计的钨钢焊杆进行转动和下压，从而形成一个搅拌区域，随着焊接头的移动，搅拌区域会沿着横向和纵向方向顺序进行搅拌和表面熔融，从而实现了焊接。FSW焊接相比于其它焊接方式，其具有如下特点：
（1）焊接过程中的热输入量较小，避免了材料过度热变形和氧化等缺陷；
（2）焊接过程中不添加任何填充材料，不会产生任何焊渣或孔洞等缺陷；
（3）搅拌区域中的材料经过变形加工，从而能够改善其织构和晶粒尺寸；
（4）焊缝形态和质量更稳定，能够适应多种材料的焊接。
2.2残余应力及其影响
焊接中残余应力是指在焊接完毕后，焊接结构本身或附近结构的各部分所承受的应力。焊接接头残余应力往往会对焊接区域的组织结构和性能产生负面影响，因此残余应力的控制尤为重要。一般来说，残余应力的发生主要与以下因素有关：
（1）焊接工艺过程中的热应力：在焊接开始时，焊接材料受到的热应力往往比较大，导致焊接区域中材料的膨胀和收缩不均，从而产生残余应力。
（2）金属材料的热膨胀系数：金属材料的热膨胀系数不同，当焊接材料热量释放后，不同部位出现的不平衡膨胀和收缩会导致残余应力的产生。
（3）金属材料的塑性变形：焊接时搅拌区域中的金属材料会受到变形加工，从而改变其晶粒结构和取向，从而影响其残余应力的大小。
第三章实验方法及结果分析
3.1实验方法
本文采用了平台式FSW焊接系统，并选用6063-T6铝合金为焊接材料，焊接参数如表1所示。
表1FSW焊接参数
焊接参数值
转速600r/min
进给速度200mm/min
下压力15kN
搅拌深度3mm
搅拌区域直径5.2mm
实验中，焊接接头残余应力首先通过束缚环实验得到，然后通过X-ray衍射仪对焊接接头残余应力进行了分析。同时，对焊接接头的金属组织、硬度和断口形态等进行了观察。
3.2实验结果分析
焊接接头残余应力如图1所示。可以看出，残余应力随着焊接位置的不同而有所变化，焊接位置中心点处的残余应力为50MPa左右，在中心点附近呈现出双峰的分布。残余应力的增强主要是由于焊接区域中材料的变形和拉伸所引起的。
为了探究不同焊接参数对接头残余应力的影响，本文进行了实验研究。其中转速和进给速度是两个重要的参数，其对接头残余应力的影响如图2所示。从图中可以看出，在相同的下压力和搅拌区域直径的情况下，当转速和进给速度较小时，残余应力相对较小；而随着转速和进给速度的增大，残余应力也逐渐增大。原因在于，当转速较低时，搅拌力和摩擦热量不足，搅拌区域中的变形力和应变量较小，残余应力也相对较小。
3.3讨论
根据实验结果和数值模拟分析，本文认为调节焊接转速和进给速度是一种有效的残余应力控制方法。在实际焊接过程中，可以根据具体情况调节这两个参数，从而得到较小的残余应力。
同时，由于焊接过程中产生的焊接接头残余应力是一种多因素叠加的结