搅拌摩擦焊焊接过程的实时受力检测和热力耦合分析

搅拌摩擦焊作为新型的固态金属连接技术，为了得到足够的摩擦热和焊缝区塑性软化层的流变成型，需要较大的三维压力，压力的大小关系到成型质量的好坏，也影响到动态应力应变场而造成焊后残余应力，引起工件变形。搅拌摩擦焊焊接过程的三维强压力场的实时同步受力检测及与产热机制及动态应力场间关系的研究是一项创新性工作。在前期已完成搅拌摩擦焊温度检测及模型建立基础上，通过完善三维动态压力检测系统，得到超强压力场数据；结合力学分析，研究焊缝区载荷分配规律；在载荷分配基础上利用数值模拟方法研究动态应力场的分布演化规律，及对焊后残余应力的影响；结合前期采用移动热源进行的温度场的模拟和测量的基础，同时测定温度和压力数据，找出压力对产热的影响，探讨塑性变形功的作用，建立考虑强压力场的产热模型；通过热力耦合方法建立压力场和温度场之间的联系。

设计了三维动态测力系统，得到了焊接动态过程中作用力的动态变化规律，并研究了焊速、转速、下压量、材料等参数变化时搅拌摩擦焊过程中力的影响规律，发现侧向力只在摩擦头下压阶段出现，轴向力是焊缝成型最关键的因素，并且下压量对轴向力的影响最大，板厚对前进力影响最大；针对搅拌摩擦焊接过程三维动态温度场进行了大量试验，并结合动态温度场的模拟，得到了温度场分布特征及焊接参数对其影响的规律，建立了考虑强压力场的产热模型，通过热力耦合方法建立压力场和温度场及应力场之间的联系；利用应变电测法和数值模拟方法研究了高温的FSW焊接过程动态应力变化规律，发现焊接过程中应力的场双峰特征不对称分布，及作用力对应力场的影响规律；采用盲孔法对铝合金FSW焊后残余应力进行了测量和分析，得到了在不同焊接参数下的规律；研究了搅拌摩擦焊的失稳变形，建立了焊接失稳变形判据，实现了利用焊接应力来预测搅拌摩擦焊薄板失稳变形的预测。