【摘 要】
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拉拔式惯性摩擦塞补焊是一种主要用于焊接缺陷修补的固态焊接技术,具有焊接热影响区较窄、综合性能好、焊接变形小、焊接时间短和生产效率高等优点,因此被应用于火箭贮箱搅拌摩擦焊后焊缝上“匙孔”缺陷修补,在航空航天领域得到广泛应用。传统研究方法通过大量的焊接工艺试验,对不同焊接参数下的接头情况进行对比分析,这需要耗费大量的时间和资源。随着计算机技术的快速发展,有限元数值模拟的方法被运用于对焊接过程的研究中,
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拉拔式惯性摩擦塞补焊是一种主要用于焊接缺陷修补的固态焊接技术,具有焊接热影响区较窄、综合性能好、焊接变形小、焊接时间短和生产效率高等优点,因此被应用于火箭贮箱搅拌摩擦焊后焊缝上“匙孔”缺陷修补,在航空航天领域得到广泛应用。传统研究方法通过大量的焊接工艺试验,对不同焊接参数下的接头情况进行对比分析,这需要耗费大量的时间和资源。随着计算机技术的快速发展,有限元数值模拟的方法被运用于对焊接过程的研究中,数值模拟方法不仅可以节约时间,缩短试验周期,还可避免了大量工艺试验的盲目性,短时间内实现对大量焊接工艺参数的筛选工作,为工艺试验提供最优焊接工艺参数。本文基于弹塑性有限元理论建立了拉拔式惯性摩擦塞补焊接过程的三维仿真计算模型,借助Deform-3D有限元仿真软件,以2219-T87铝合金为研究对象,对塞棒和塞孔摩擦区域进行局部网格细化后,进行数值仿真计算。同时选择相同的焊接参数进行工艺试验,利用红外测温仪测量塞棒和工件上表面的温度,模拟结果发现与试验结果趋势基本一致,验证了建立好的三维仿真计算模型用于拉拔式惯性摩擦塞补焊的可行性和准确性。利用验证后的模型选择合适的焊接工艺参数进行数值模拟研究,分别得到塞棒和工件上温度、应力应变和轴向位移量的变化情况。模拟结果显示,初始焊接转速7000r/min下得到的摩擦面上高温分布区间为406.1～637.1℃,初始焊接转速5800r/min、6400r/min和6800r/min下摩擦面上高温分布区间分别为399.5～453.8℃、401.9～629.5℃和395.8～620.0℃,在其它焊接工艺参数不变情况下,初始焊接转速对于摩擦面上温度分布情况影响最大,转速越大,产生的摩擦热量越多,摩擦面上温度越高,高温范围越大;焊接压力对于接头形貌的形成影响较大,通过对比不同焊接压力下的焊缝,焊接压力68MPa下塞棒和工件上的等效应变数值最大,塞孔上“飞边”要大于焊接压力较小的两组;等效应力分布主要集中在塞棒锥角和“颈部”区域以及工件塞孔上,不同参数下的塞棒上等效应力数值区间主要集中在40.4～65.2MPa之间,塞孔上等效应力数值区间主要集中在45.5～70.5MPa,在等效应力分布集中区域,塞棒和工件上金属材料发生较大的塑性变形,塞棒上出现明显的“颈缩”现象,塞孔摩擦面上金属材料被挤出形成“飞边”。其它焊接工艺参数保持不变,初始焊接转速5800r/min、6400r/min和6800r/min下塞棒和工件塞孔上轴向位移量的变化,焊接结束后,塞棒的轴向位移分别为13.3mm、14.1mm和18.7mm,工件上轴向位移分别为1.6mm、2.3mm和3.5mm。对比发现,焊接转速越大,塞棒和工件上金属材料的轴向位移越大,说明塞棒和工件上的轴向伸长量随初始焊接转速的增大而增加;焊接压力60MPa、64MPa和68MPa下的塞棒上等效应变数值大小分别为1.98、3.50和5.09,工件上等效应变数值大小分别为2.78、3.06和4.18,对比发现,塞棒和工件上等效应变分布数值大小随焊接压力的增大而增加。通过模拟结果发现,在其它焊接工艺参数保持不变情况下,在一定范围内增大初始焊接转速和焊接压力,摩擦面上温度更高,塞棒和工件上发生塑性变形的金属材料更多,接头质量越高。本文希望通过惯性摩擦塞补焊数值模拟研究,为火箭贮箱搅拌摩擦焊“匙孔”缺陷的修补提供新的焊接工艺参数优化方法,为筛选出最优焊接工艺参数,得到高质量焊缝提供科学有效的理论依据。
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