铝合金搅拌摩擦焊构件时效成形研究

论文摘要

蠕变时效成形技术是大型飞机重要的金属成形工艺之一，而壁板或筋板类零件是飞机机翼和机身的重要结构件。目前整体壁板结构的加工高度依赖于新型高速高效数控切削机床，致使零件加工费用高、加工周期长、材料利用率低。在焊接领域，搅拌摩擦焊是焊接成形中的一种新技术，采用该方法能获得优良的焊接接头，对于铝合金焊接构件有着明显的优势，在航空航天制造业中正显示出良好的应用前景。因此，探索基于搅拌摩擦焊技术的整体壁板结构的蠕变时效成形工艺，为筋板零件的低成本制造提供了一种全新的方法，具有重要的工程应用价值。首先，设计和制备了筋板T型搅拌摩擦焊的工装夹具和搅拌头，利用搅拌摩擦焊方法获得2A12铝合金筋板焊接件，通过比较分析不同焊接参数下焊接接头的力学性能和微观组织，得到了搅拌摩擦焊的最佳焊接参数。当对焊接接头采用不同的热处理后，接头的综合性能产生了不同的变化，特别是退火+固溶+时效或分级时效处理，能较好地提高接头的抗拉强度和硬度，改善焊缝的微观组织。其次，通过机械加载工装试验确定了2A12铝合金蠕变时效成形的最佳工艺参数，时效温度为190℃，时效时间为10h。继而在气压加载工装系统进行筋板蠕变时效成形试验，研究一定条件下时效温度和时效时间对筋板成形质量的影响。最后，通过高温电子蠕变拉伸试验，得到了2A12铝合金的蠕变本构方程系数。基于有限元软件ABAQUS平台，创建了筋板蠕变时效成形的有限元模型，研究分析其成形过程，探索蠕变时效时间、模具半径、筋条的高度、筋条的宽度以及板材的厚度对筋板成形质量的影响。同时通过试验验证了该有限元模型能较好的反映筋板的成形过程。本文采用搅拌摩擦焊技术和热处理方法，获得性能良好的筋板焊接构件；通过气压加载工装系统和有限元技术分析筋板蠕变时效成形过程，对工程应用具有参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 搅拌摩擦焊技术发展概况
• 1.2.1 搅拌摩擦焊技术
• 1.2.2 搅拌摩擦焊技术的研究现状
• 1.2.3 搅拌摩擦焊技术的应用
• 1.3 蠕变时效成形技术发展概况
• 1.3.1 蠕变时效成形技术
• 1.3.2 蠕变时效成形工装
• 1.3.3 蠕变时效技术的研究现状
• 1.3.4 蠕变时效成形技术的应用
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 铝合金筋板T型搅拌摩擦焊工艺试验
• 2.1 试验条件
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验焊机
• 2.1.3 试验夹具
• 2.1.4 搅拌头
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 焊接成形试验
• 2.2.2 金相试验
• 2.2.3 拉伸试验
• 2.2.4 硬度试验
• 2.3 搅拌摩擦焊工艺试验结果分析
• 2.3.1 焊接接头宏观断面
• 2.3.2 焊接接头微观组织分析
• 2.3.3 焊接接头拉伸试验结果
• 2.3.4 焊接接头硬度试验结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 热处理对搅拌摩擦焊接头组织和性能的影响
• 3.1 热处理方法
• 3.1.1 铝合金热处理
• 3.1.2 热处理方案
• 3.2 热处理对焊接接头质量的影响
• 3.2.1 热处理对接头微观组织的影响
• 3.2.2 热处理对接头强度的影响
• 3.2.3 热处理对接头硬度的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 筋板焊接件蠕变时效成形试验研究
• 4.1 引言
• 4.1.1 人工时效
• 4.1.2 应力松弛和蠕变
• 4.1.3 时效成形
• 4.1.4 回弹和回弹率
• 4.2 机械加载蠕变时效成形工艺参数试验
• 4.2.1 试验设备
• 4.2.2 试验结果
• 4.2.3 试验分析
• 4.3 气压加载蠕变时效成形试验
• 4.3.1 试验工装设备
• 4.3.2 试验工艺流程
• 4.3.3 试验加热温度与时间的关系
• 4.3.4 试验结果分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 筋板焊接件蠕变时效成形有限元分析
• 5.1 蠕变拉伸试验
• 5.1.1 试验方法
• 5.1.2 蠕变本构方程模型
• 5.1.3 试验结果分析
• 5.2 筋板有限元模型建立
• 5.2.1 ABAQUS软件介绍
• 5.2.2 模型功能模块设置
• 5.2.3 有限元模型建立
• 5.3 有限元模拟分析
• 5.3.1 等效应力分析
• 5.3.2 节点应力分析
• 5.3.3 蠕变应变分析
• 5.3.4 模拟结果和试验结果对比分析
• 5.4 工艺参数对蠕变时效成形的影响规律
• 5.4.1 蠕变时效时间的影响
• 5.4.2 模具半径的影响
• 5.4.3 加载压力的影响
• 5.4.4 筋条高度的影响
• 5.4.5 筋条宽度的影响
• 5.4.6 板材厚度的影响
• 5.5 回弹补偿计算
• 5.5.1 回弹补偿原理
• 5.5.2 优化模具设计
• 5.6 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 攻读学位期间发表文章
• 致谢