TC4钛合金搭接接头FSW过程的有限元模拟及成形性

发布时间：2017-10-21 07:30

  本文关键词：TC4钛合金搭接接头FSW过程的有限元模拟及成形性

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【摘要】：钛合金等轻质合金以其具有良好的力学性能,已逐渐成为现代飞行器制造的主要材料之一。目前,钛合金的连接方式主要是焊接。搅拌摩擦焊接技术作为一种固相连接技术能够有效避免传统焊接方法在焊接过程中所带来的孔洞及热裂纹等缺陷。为了达到增加结构强度和减轻重量目的,使用搭接接头来代替飞机中的铆接接头成为不可避免的趋势。因此,本文对TC4钛合金搅拌摩擦焊搭接进行了研究。使用有限元模拟软件Abaqus/CAE,对TC4钛合金搭接接头FSW过程中的温度场进行数值模拟,研究了不同工艺参数下搭接界面处温度分布情况。结果表明:钛合金FSW搭接温度场均呈现前端小后端大的椭圆形分布,搅拌头前方材料温度低温度梯度大,后方材料温度高且温度梯度小。在相同的焊接速度下,随着旋转速度的减小,焊缝上下表面的温度梯度和焊缝温度峰值均减小。搭接界面点的温度峰值小于焊缝表面。使用钨铼合金搅拌头对TC4钛合金进行了搭接实验。实验结果表明:当旋转速度一定时,增加焊接速度会增加焊缝沟槽缺陷的尺寸和数量。使用带螺纹搅拌头所得到的焊缝表面几乎不存在沟槽缺陷,表面成形质量要优于无螺纹搅拌头焊缝的表面成形。随着焊接温度的减小,隧道缺陷尺寸逐渐减小。在高的旋转速度下,搭接接头界面处的氧化物分布呈不连续弥散分布。采用带螺纹搅拌头能够促进材料沿垂直方向的流动,增强了上下板之间材料的交换,利于接头的成形。当旋转速度从200rpm变化为150rpm时,搭接接头的所承受的拉断载荷呈先下降后增大的趋势。接头的拉断载荷最大值为20.54KN最小值为18.30KN。带螺纹搅拌头所得到的搭接接头的拉断载荷大于无螺纹搅拌头所得的接头。接头的断裂方式均为韧性断裂。
【关键词】：TC4钛合金 搅拌摩擦搭接焊 温度场 钩状缺陷 氧化物 力学性能
【学位授予单位】：沈阳航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：V261
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-22
• 1.1 课题研究的目的和意义12-13
• 1.2 搅拌摩擦焊接工艺13-14
• 1.3 国内外研究现状14-21
• 1.3.1 搅拌摩擦搭接焊的发展现状14-19
• 1.3.2 钛合金焊接19-21
• 1.4 本文研究内容21-22
• 第2章 实验材料及方法22-30
• 2.1 实验材料22
• 2.2 实验设备22-26
• 2.2.1 焊接设备22-23
• 2.2.2 气体保护装置23-25
• 2.2.3 搅拌头25-26
• 2.3 实验方法26-30
• 2.3.1 搭接接头形式26
• 2.3.2 工艺实验26-29
• 2.3.3 搭接接头宏观形貌29
• 2.3.4 搭接接头力学性能及断口分析29-30
• 第3章 FSW搭接过程有限元模拟30-43
• 3.1 温度场模拟30-34
• 3.1.1 几何模型建立30-31
• 3.1.2 网格划分31
• 3.1.3 材料属性31-32
• 3.1.4 温度场的初始及散热边界条件32-33
• 3.1.5 热源模型33-34
• 3.2 模拟结果与分析34-41
• 3.2.1 温度场模拟结果与分析34-36
• 3.2.2 焊接不同阶段温度场分布情况36-37
• 3.2.3 不同工艺参数下接头横截面温度场分布情况37-38
• 3.2.4 不同工艺参数下接头温度场分布情况38-40
• 3.2.5 不同位置下接头温度场分布情况40-41
• 3.3 本章小结41-43
• 第4章 TC4钛合金FSW搭接接头成形研究43-54
• 4.1 焊缝表面成形分析43-46
• 4.1.1 不同焊接参数下焊缝表面成形43-44
• 4.1.2 搅拌头形状对焊缝表面成形的影响44-46
• 4.2 焊缝横截面形貌分析46-53
• 4.2.1 不同焊接参数下横截面成形46-50
• 4.2.2 搅拌针形状对横截面形貌的影响50-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第5章 TC4钛合金FSW搭接接头力学性能研究54-66
• 5.1 后退侧受力时接头性能54-61
• 5.1.1 搭接接头力学性能54-56
• 5.1.2 搭接接头的断裂位置56-58
• 5.1.3 搭接接头的断口分析58-61
• 5.2 前进侧受力时接头性能61-65
• 5.2.1 搭接接头力学性能61-62
• 5.2.2 搭接接头的断裂位置62-63
• 5.2.3 搭接接头的断口分析63-65
• 5.3 本章小结65-66
• 结论66-68
• 参考文献68-70
• 致谢70-71
• 攻读硕士期间发表(含录用)的学术论文71

【参考文献】

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本文编号：1072045