铝合金热辅助搅拌摩擦单面铆接过程的演化机理

Applications of high strength Al alloy sheets and Al alloy extrusions are of significance to the implementation of lightweighting in aerospace and automotive industries. Combining induction heating and friction stir blind riveting is an effective approach to joining of not only high strength Al alloys but also complex structures. In this proposed project, the dynamic hot deformation behavior of a high strength 7xxx Al alloy sheet (7xxx-S) and an extruded 6xxx Al alloy (6xxx-E) will be studied and their fracture criteria will be built, which provide basis to the finite element modeling of the induction-heating-assisted friction stir blind riveting (I-FSBR). The evolutions of temperature fields in the 7xxx-S and 6xxx-E workpieces will be simulated by using finite element method and validated with experimental measurements. Then the penetration mechanism of the blind rivet in I-FSBR will be revealed with the aids of experimental observations of the microstructural evolutions in the 7xxx-S and 6xxx-E workpieces and the kinematics analysis of rivet penetration. Through the investigation on the relationships among the I-FSBR processing parameters, mechanical properties (e.g. microhardness distribution) of the wall holes on the 7xxx-S and 6xxx-E workpieces, and mechanical performance of the I-FSBR joints, the effect of I-FSBR processing parameters on the mechanical performance of the I-FSBR joints will be explored. This provides theoretical basis for the property control of similar and dissimilar material joints fabricated from 7xxx-S and 6xxx-E Al alloys.

高强度铝合金板以及挤压铝合金型材的运用对航空航天、汽车等轻量化的实施具有重要意义。感应热辅助搅拌摩擦单面铆接是解决高强度铝合金连接以及复杂结构连接等问题的有效措施。本项目通过研究7xxx系高强度铝合金板和6xxx系挤压铝合金的动态热变形行为并建立相应的断裂准则，对感应热辅助搅拌摩擦单面铆接进行仿真建模及实验验证，研究两种铝合金在被铆钉搅拌摩擦挤压的穿透过程中温度场演化；结合铆接过程中两种铝合金微观组织演化的实验研究以及铆钉穿透动力学分析，来揭示感应热辅助搅拌摩擦单面铆接工艺中铆钉的穿透机理。通过感应热辅助搅拌摩擦单面铆接工艺参数、铝合金工件孔壁材料硬度分布等机械性能与接头力学性能（拉伸强度、失效模式等）之间的关系研究，探索感应热辅助搅拌摩擦单面铆接工艺参数对接头力学性能的影响机理，为两种铝合金的同材及异材感应热辅助搅拌摩擦单面铆接接头的力学性能调控提供理论基础。

搅拌摩擦单面铆接是一种可连接半封闭结构或封闭结构的单面连接技术，结合感应加热辅助，可以解决连接高强度铝合金板材及型材出现的板材弯曲、孔壁裂纹等问题。本项目首先研究了应变速率和温度对AA7075-T6及AA6061-T6两种铝合金动态热变形力学行为的影响规律，基于Johnson-Cook模型获得了考虑温度和应变速率的两种铝合金材料本构模型和断裂准则。在此基础上，建立并验证了电-磁-热多场耦合的热辅助搅拌摩擦单面铆接穿透过程的有限元模型，获得了穿透过程中工件材料的三维温度场演化规律，剖析了热辅助条件下铆接工艺参数对铆钉与工件材料的接触行为的影响机理，建立了铆钉与工件材料接触面的摩擦系数与温度的函数关系。并基于单点热源解析模型建立了铆钉搅拌摩擦挤压铝合金材料的穿透动力学模型，实现了对不同工艺参数下穿透力及扭矩的理论预测。结合铆接过程中工件孔壁材料的微观组织演化以及塑性流动行为，最终揭示了铆钉搅拌摩擦穿透铝合金工件的机理。通过显微硬度测试获得了工件孔壁材料的硬度分布规律，分析研究了铆接工艺参数对工件孔壁材料显微硬度分布的影响机理。通过解析硬化模型参数与工件孔壁材料显微硬度的函数关系，建立了两种铝合金材料显微硬度和流动应力的经验关系模型，从而将显微硬度分布映射为材料力学性能分布，建立了具有孔壁材料力学性能梯度的单搭接头有限元仿真模型，利用该有限元模型，分析了工件孔壁材料硬度分布对接头拉伸过程中工件和铆钉材料塑性变形行为的影响，从而揭示了工艺参数对搅拌摩擦单面铆接接头力学性能的影响机理，为工艺参数的优化提供了理论支撑，最终获得了高效率、高性能的同材和异材铝合金热辅助搅拌摩擦单面铆接接头。基于本课题的研究成果，在国内外核心期刊发表了署名本课题资助的论文8篇，其中SCI收录6篇，EI收录1篇（不重复计算）；申请专利5项，包括4项发明专利及1项实用新型专利,其中2篇已授权；参加国际学术会议交流2次；完成了5名博士/硕士研究生的培养。