2219铝合金搅拌摩擦焊拼焊板流体压力成形破裂机制与预测

作     者：聂辉 

作者单位：哈尔滨工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐永超

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：焊接接头 局部力学性能 拼焊板 GTN 破裂预测 液压成形 

摘      要：目前,火箭贮箱的椭球状箱底传统的成形方法为先成形瓜瓣件再焊接成整体,充液拉深为箱底的整体成形提供了可能。但整体成形受到了铝合金板坯尺寸的限制,因而成形过程中需使用搅拌摩擦焊(FSW)拼焊板。FSW拼焊板焊缝区域尺寸大、焊接接头性能分布极为不均匀,成形过程中变形分布亦不均匀进而出现破裂缺陷。针对以上问题,本课题提出一种基于拼焊板的GTN损伤模型,对拼焊板液压成形过程进行破裂预测,指导椭球曲面件的成形。为测得FSW焊接接头区域的局部力学性能,本文利用微观组织确定了接头各微区的尺寸,采用DIC(三维应变光学测量系统)实验测得单向拉伸过程中焊接接头的应变情况,处理得到接头各微区的局部力学性能,可作为数值模拟焊接接头分区的材料属性。原位拉伸试验观察焊缝和母材试样受单向拉应力作用时裂纹的演化过程,结果表明2219铝合金拼焊板裂纹的萌生是基于材料中微孔洞的形核、长大及聚集的,因而可应用GTN损伤模型预测其损伤演化过程。通过SEM照片微孔洞的识别及正交试验设计的有限元逆向优化获得GTN损伤模型中的未知参数。利用有限元模拟软件ABAQUS 6.13对不同条件下2219铝合金拼焊板液压胀形过程进行数值模拟,模拟时将焊接接头处理为焊缝与母材的两区结构,并分别赋予其GTN损伤模型。结果表明,焊缝处于板料不同位置时拼焊板的破裂位置有所差异;固溶处理使焊缝与母材变形趋于均匀,但极限胀形高度有所下降;在拼焊板外施加不锈钢外板可以使焊缝与母材变形协调的同时提高极限胀形高度。进行2219拼焊板液压胀形实验,从破裂位置、极限胀形高度、最小壁厚、胀破压力、最大等效应变角度验证GTN损伤模型预测破裂的能力。结果表明,实验结果与预测结果具有高度的一致性,GTN损伤模型可用于拼焊板的液压成形破裂预测。利用拼焊板的GTN损伤模型指导椭球曲面件的成形,数值模拟结果表明,采用充液拉深及固溶处理可以使成形试件焊缝与母材壁厚分布均匀。进行拉深实验,获得长短轴之比为1.6的半椭球曲面件。