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1、目录摘要4ABSTRACT5第一章 绪论61.1 引言61.2 线性摩擦焊接的介绍71.2.1 线性摩擦焊的焊接原理71.2.2 线性摩擦焊接优点与特色91.2.3 线性摩擦焊接的研究发展与实际应用91.3 现阶段对于线性摩擦焊接工艺的研究101.4 现阶段对于线性摩擦焊接工艺数值模拟的研究111.5 选题的背景和意义121.6 课题研究内容13第二章 有限元数值模拟的概述142.1 引言142.2 有限元方法142.3 有限元热力耦合在线性摩擦焊中的计算思想15第三章 可锻铝合金6061（Al-Mg-si合金）性能分析163.1 6061可锻铝合金的基本信息163.1.1 6061可锻铝合金
2、的发展16第四章 建立线性摩擦焊接的有限元模型174.1 引言174.2 COMSOL Multiphysics5.5有限元分析软件174.3 线性摩擦焊接有限元模型在COMSOL上的建立184.3.1 对于仿真物理过程中的条件简化184.3.2 数学建模194.3.3 几何、网格模型建立204.3.4 定义工件材料的基本属性244.3.5 材料本构数据254.3.6 材料参数在COMSOL中的设定264.3.7在COMSOL设定各种约束294.3.8 COMSOL中的求解原理33第五章 探究6061可锻铝合金线性摩擦焊接的热力学过程345.1 引言345.2 温度场结果345.2.1 摩擦界
3、面的温度场分析345.2.2 工件内部以及摩擦界面温度场演变规律375.3 飞边的形成与分析385.4 应力场结果415.4.1 下部工件的应力分析415.4.2 二维模型中摩擦界面两点的应力变化415.4.3 二维模型中摩擦界面的点在不同载荷情况下的应力变化435.4.4 两工件内部的应力分析445.5不同振动频率对工件焊接的影响45第六章 总结与展望47致谢49参考文献50附录52摘要本文运用COMSOL Multiphysics 5.5有限元仿真软件，拟针对可锻铝合金材料（6061）在线性摩擦焊接过程中进行对于温度场，应力场的有限元仿真分析。查阅调用焊接材料6061铝合金性能参数（弹性模
4、量、剪切模量、密度、熔点等）和焊接试验中的规范参数（压应力、振幅、频率）对线性摩擦焊接过程的焊接参数进行数值模拟，探究其温度场、应变场分析温度、应力的分布和变化规律。目标确立可锻铝合金的高温本构模型，完成线性摩擦焊接过程中的焊接工艺分析、建立数学模型、建立工件几何模型、划分工件体网格、确定边界条件、确定材料参数模型完成输入，优化工艺。拟在COMSOL软件上进行线性摩擦焊的过程仿真。最后分析出6061铝合金在线性摩擦焊接过程中的温度场，应力场，应变与飞边的产生。也得出关于摩擦界面温度与接触压力，运动频率的关系。关键词：线性摩擦焊；6061可锻铝合金；有限元分析；温度场；应力场ABSTRACTIn
5、 this paper, the finite element simulation software COMSOL Multiphysics 5.5 is used to analyze the temperature field and stress field of wrought aluminum alloy material (6061) in the process of linear friction welding. Refer to invoke the performance parameters of 6061 aluminum alloy welding materia
6、ls (elastic modulus, shear modulus, density, melting point, etc.) and welding specification parameters of the test (compressive stress, amplitude and frequency) of linear friction welding parameters for numerical simulation of welding process, to explore the analysis of temperature field, strain fie
7、ld, temperature and stress distribution and the change rule. The objective is to establish the high temperature constitutive model of the malleable aluminum alloy, to complete the welding process analysis in the linear friction welding process, to establish the mathematical model, to establish the g
8、eometric model of the workpiece, to divide the workpiece body grid, to determine the boundary conditions, to determine the material parameter model to complete the input, and to optimize the process. The process of linear friction welding is simulated on COMSOL software. Finally, the temperature fie
9、ld, stress field, strain and flash of 6061 aluminum alloy in the process of linear friction welding are analyzed. The relationship between the temperature of the friction interface and the contact pressure and the motion frequency is also obtained.Keywords: linear friction welding; 6061 malleable al
10、uminum alloy; Finite element analysis; Temperature field; The stress field第一章 绪论1.1 引言线性摩擦焊接（Linear friction welding）是一种较为新型的固相焊接技术，其利用了被焊接工件的接触面在接触压力的作用下进行相对往复运动，依靠相对往复运动发生摩擦从而产生热量，来实现焊接的固态连接方法【1】。其概念最早由德国Ritcher于1929年提出，早在20世纪60年代，英国的Jack Searle就已经提出了非圆柱体工件的摩擦焊原理构想，但是直到随后的30年才出现第一台线性摩擦焊机。此项技术在塑料的焊
11、接中最早被应用到【2】，随着现代工业焊接技术的不断发展，其应用的领域也逐渐扩展到合金焊接如铝，钛，镍等甚至于异种合金的焊接中，并且慢慢地开始在工业制造业得到认可。直到90年代，线性摩擦焊在航空发动机整体叶盘的制造与维修领域中发挥了其显著的作用，推动了航空航天产业的高速发展。而铝合金因为拥有优异的物理特性与力学性能，比如密度低，比强度高，热导率高，电导率高以及耐腐蚀能力强等，已经开始被广泛的应用于机械行业，电力行业，化工行业，航空行业，航天行业等工业内的焊接结构产品。而摩擦焊技术就有大量应用在飞机制造与轮船制造中【3】。如今随着各行各业对于有限元仿真技术的不断运用，有限元仿真技术已经十分的成熟。
12、许多的科研工作者和研究人员，在大量的实验数据和高可靠性的理论研究的基础之下，开发出了许多功能强大的有限元分析软件，并且在市面上更多的被加以运用。这些仿真软件的开发与运用免除了真实试验的高成本，高耗时，高污染和研究周期长等科研问题，是分析研究中的理论利器。在探究合金的应力场，温度场，以及应变和焊接中的运动参数对工件的影响等等方面上，在仿真软件上进行数值模拟和运动模拟可以很好的得出可视化的试验数据，它可以帮助我们观测合金在不同运动参数，各种工作环境中的不同表现，有利于进行针对性的研究，以用来优化焊接中的各项指标。1.2 线性摩擦焊接的介绍1.2.1 线性摩擦焊的焊接原理线性摩擦焊接是一种不同于传统
13、摩擦焊接方式的固相焊接技术（原理如图1.1），两个待焊接工件分别固定在运动机构与固定夹具中，两个待焊接工件的焊接界面之间紧密接触，运动机构驱动运动工件以指定频率和振幅做线性往复运动，并对上端的运动工件施加轴向压力。而下部工件则固定于夹具体中，在两个待焊接工件之间存在着相对往复的运动，从而产生摩擦。两个待焊工件的接触面在摩擦力的作用下，产生大量的接触热，使得接触界面的温度可以在短时间内急速上升，工件在剪切力的作用下，摩擦界面的高温塑性金属被挤压后从侧边挤压飞出，形成飞边，工件的轴向距离开始明显缩短，当两工件的接触面处的形变与温度不再有明显的变化时，逐渐降低运动速度，结束运动，使两工件对中，施加一
14、定的压力，工件的轴向距离急剧缩短，在整个焊接过程中，被焊接的金属发生了动态再结晶，在轴向压力的作用下，金属层被不断的挤压，从而形成了十分紧密的焊接层。图1.1 线性摩擦焊接的原理图根据大量的实验测试数据，线性摩擦焊接的过程分为以下四个阶段【4-6】（图二）:1. 初始阶段：两个紧密接触的待焊接工件开始相对往复运动，在工件的接触界面上会有微小的凸起，而摩擦将首先会产生在凸起的地方，界面上也会产生剪切与粘结作用，随着运动的进行不断产生热量，接触界面的面积也随着增加。在此阶段工件的轴向距离没有明显变化。2. 过渡阶段：随着平移运动的进行，工件接触界面温度不断的上升，接触区域材料发生软化现象，伴随软化
15、的开始接触界面被一层高温粘塑性金属慢慢的覆盖，产热机制也由最初的干摩擦产热逐渐转变为粘塑性金属层面内的塑性变形产热，两个工件之间的接触面积也变为100%。在此阶段工件的轴向距离开始缩短。3. 稳定阶段：在这一阶段工件接触面的热量由界面间的粘着摩擦和塑性金属剪切变形共同提供， 产热量趋于稳定。热量由接触界面开始向工件内部传导，焊接界面两侧的金属温度不断升高，开始塑性流动，在轴向压力的作用下，高温塑性金属被挤压后从侧边挤压飞出，形成飞边。在此阶段工件的轴向距离开始明显的缩短。4. 减速阶段：当接触界面的温度和变形都达到所需要的数值时开始降低运动速度，后停止相对运动并使两工件迅速对齐。在此阶段工件的轴向距离开始急剧缩短，在轴向压力的作用下，金属层被不断的挤压，从而形成了十分紧密的焊接层，使两侧的工件实现可靠连接。线性摩擦焊接的上述四个阶段依次发生，每一个阶段都对下一阶段的进行起着十分重要的作用，上一阶段焊接进行充分，就会为下一阶段焊接打下良好的基础，只有每一个阶段都进行充分，才能使得两工件的焊接紧密牢固。图1.2 线性摩擦焊接四个阶段的示意图1.2.2 线性摩擦焊接优点与特色线性摩擦焊接与熔焊或其它类型的摩擦焊接方法相比较，主要具有以下优点【7】
