5083铝合金搅拌摩擦焊工艺及其有限元模拟研究

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1、摘要搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接工艺。本文采用搅拌摩擦焊接3．5mm厚5083-H321铝合金，参数合适时可以得到成型良好的接头，最高接头抗拉强度可达母材的93．6％，正弯和背弯都可以达到180。而不出现裂纹；焊接参数选择不当时，会产生孔洞缺陷，严重时还会出现隧道型缺陷。从本文有限的试验中可以得出接头无孔洞缺陷的条件是：热输入应大于569．72J／ram。热输入小于146．95J／mm时孔洞进一步演化成为隧道型缺陷。对搅拌摩擦焊接过程中扭矩的测量和分析可以为搅拌头矛IJFSW设备的设计提供参考，尤其是在焊接高温材料如Ti、Ni和铁合金时：通过扭矩可以对FSW过程进行实

2、时控制，在FSW达到稳态时保持扭矩的恒定有助于获得质量均匀的焊缝；最后还可以通过扭矩来验证FSW模型。本试验采用扭矩传感器实时测量焊接时主轴的扭矩，发现在焊接进入准稳态时扭矩基本保持恒定。对5083铝合金FSW接头微观组织进行观察发现，焊核上部呈冠状，中下部为焊核沉积区：核心可以看到洋葱环结构。焊核区域在强烈的热机作用下发生动态回复和再结晶，得到细小等轴晶粒。焊缝过渡区也经历热机过程，但由于变形应变不足没有发生动态再结晶，所以组织晶粒以大变形结构为特征。前进侧焊核区与过渡区的界限比后退侧的明显。建立了FSW过程的热输入模型。通过扭矩计算得出焊接过程中压入、停留和稳态焊接

3、三个阶段的热输入，并利用模型对各个阶段的温度场进行了模拟。模拟结果表明随着搅拌针压入深度的增加，加热速度在增加；压入后适当的停留使预热温度进一步提高，对焊接有利；在高能量输入的情况下，稳态焊接过程最高温度超过600。C。模型计算结果与测温特征点的温度接近。关键词搅拌摩擦焊，铝合金，扭矩，有限元模拟AbstractFrictionstirweldingisarelativelynewsolidjoiningmethod．Inthispaper3．5mmthickness5083一H321aluminumalloywasjoinedbyfrictionstirwelding

4、．Thejointswerewellformedwhenparameterswereproper．Thehighestjointstrengthwithoutanytreatmentafterweldingcouldreachto93．6％ofthatofbasematerial．andthejointscouldreachto1800withoutanycrackingwhenfaceandrootbendingtest．Butthevoiddefectwasproducedwhentheparameterswerenotproper,andthetunneldefe

5、ctappearedwhentheparametersgotworse．Theconditionofjointwithoutvoiddefectwastheheatinputshouldhi【gherthan569．72J／mm．Thevoiddefectchangedtotunneldefectwhentheheatinputwaslowerthan146．95J／mm．ThemeasurementandanalysisoftorqueduringFSWallowedforimprovedtoolandFSWequipmentdesigns，especiallyfor

6、joiningofhighertemperaturematerialssuchasTi，Niandsteelalloys．Second，thissignalcouldbeusedforcontrolofFSWprocessinreal—time．Keepingthetorqueconstantwashelpfulforobtainingauniformityqualityjointwhenweldingachievedasteadystate．Finally,thisinformationcouldserveasverificationforprocessmodels．

7、Thetorqueinreal·timeofmotorwasmeasuredbytorquesensorinthispaper．Theresultshowedthatthetorquealmostkeptconstantwhenweldingcametoquasi—steadystate．Microstructureoffrictionstirwelded5083aluminumalloyjointswereanalyzedandtheresultsshowedthattheupsidezoneofthejoiningshoweditse