航空铝合金微细搅拌摩擦连接技术基础研究
发布时间：2022-12-10 18:14
随着我国航空航天事业的不断发展,该领域中的制造技术发展迅速,在无人机、卫星、火箭制造过程中,为了节能和降低成本,结构轻量化已成为设计制造的一个重要方向,对板材的厚度及连接技术产生了新的需求。对于薄板材料及特定的加工件,要求窄的连接缝,因此传统的熔化连接方法和铆接方法已经无法满足这些工业产品的结构件制造要求,需要在传统搅拌摩擦连接的基础上进行改进。本文通过实验研究和数值模拟相结合的方法,开展航空铝合金微细搅拌摩擦连接技术（Meso Friction Stir Joining,简称MFSJ）基础研究,来解决1mm及以下铝合金板材搅拌摩擦连接问题,本文完成的主要工作及取得的主要成果如下:（1）MFSJ过程中的仿真研究建立了MFSJ热源模型,通过搅拌头轴肩半径推算出连接区宽度与热量输入之间的关系式,并进行了实验验证;通过分析转速和进给速度对峰值温度的影响,发现常温下热输入不足,峰值温度达不到要求,加热后可增加热量输入,保证连接质量;利用ANSYS有限元软件对1mm厚6061铝合金板的温度场、流场和应力场进行数值模拟,发现加热后薄板MFSJ温度场拖尾现象更明显;流体流动呈现上下不同的流动方式,加...
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 FSJ研究现状
1.2.1 材料及连接工艺研究
1.2.2 FSJ缺陷的研究
1.2.3 FSJ接头区域材料流动性的研究
1.2.4 搅拌头作用力研究
1.2.5 数值模拟研究
1.3 MFSJ研究现状与存在问题
1.3.1 MFSJ研究现状
1.3.2 MFSJ存在问题
1.4 研究目的、意义和内容
1.4.1 研究目的和意义
1.4.2 研究内容
第二章 微细搅拌摩擦连接过程仿真分析
2.1 引言
2.2 MFSJ热源模型建立
2.2.1 产热过程
2.2.2 轴肩产热
2.2.3 搅拌针产热
2.2.4 塑性变形产热
2.3 MFSJ有限元模型建立
2.3.1 有限元模型的建立
2.3.2 摩擦系数的确定
2.3.3 控制方程及边界条件的设定
2.4 MFSJ过程热分析
2.4.1 极限轴肩直径分析
2.4.2 峰值温度分析
2.5 MFSJ过程数值模拟结果
2.5.1 温度场分析
2.5.2 热力耦合的变形分析
2.5.3 热流耦合的流场分析
2.6 本章小结
第三章 微细搅拌摩擦连接专用设备的研制
3.1 引言
3.2 设备的需求分析
3.2.1 功能需求分析
3.2.2 主要技术指标
3.3 主体结构设计
3.3.1 机械结构设计
3.3.2 辅助加热设备
3.3.3 搅拌头的设计
3.4 控制系统设计
3.5 性能测试分析
3.5.1 设备振动测试及分析
3.5.2 设备精度评定
3.6 本章小结
第四章 微细搅拌摩擦连接工艺研究
4.1 引言
4.2 实验材料及实验方法
4.2.1 实验材料
4.2.2 实验方法
4.3 表面弧纹分析
4.3.1 轴肩运动轨迹分析
4.3.2 Matlab仿真
4.4 不同参数的MFSJ实验
4.4.1 不同材料的实验结果
4.4.2 轴肩直径的影响
4.4.3 不同加热温度下的表面形貌
4.4.4 辅助加热时不同厚度板材的表面形貌
4.5 工艺参数优化
4.5.1 正交试验设计
4.5.2 各因素对实验结果的影响
4.5.3 方差分析(ANOVA)和综合优化参数
4.6 本章小结
第五章 微细搅拌摩擦连接过程作用力测试分析
5.1 引言
5.2 实验设计
5.3 作用力模型建立
5.3.1 模型简化
5.3.2 作用力拟合
5.3.3 实验结果验证
5.4 作用力规律分析
5.4.1 作用力周期性规律
5.4.2 工艺参数对接头性能的影响
5.4.3 加热对作用力的影响
5.5 本章小结
第六章 微细搅拌摩擦连接区性能评价
6.1 引言
6.2 评价指标
6.2.1 金相组织
6.2.2 显微硬度测试
6.2.3 原位对称拉伸实验
6.2.4 弯曲性能测试
6.2.5 摩擦磨损实验
6.2.6 电化学腐蚀实验
6.3 不同工况下接头性能测试结果
6.3.1 接头微观组织
6.3.2 硬度
6.3.3 原位对称拉伸性能
6.3.4 弯曲性能
6.3.5 摩擦磨损
6.3.6 电化学腐蚀
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 全文总结
7.1.1 本文完成的工作
7.1.2 本文主要创新点
7.2 后续研究展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟[J]. 武传松,宿浩,石磊. 金属学报. 2018(02)
[2]铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊接头组织与力学性能[J]. 刘奋军,傅莉,陈海燕. 金属学报. 2017(12)
[3]工艺参数和搅拌头尺寸对2024铝合金和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦连接接头性能的影响[J]. 宋波,左敦稳. 材料导报. 2016(20)
[4]搅拌摩擦焊技术在中国的发展和推广应用[J]. 栾国红,郭德伦. 航空制造技术. 2014(17)
[5]搅拌摩擦焊焊接5083铝合金板材焊核区的晶体取向[J]. 袁鸽成,梁春朗,刘洪,袁潜. 焊接学报. 2014(08)
[6]商业AZ31镁合金搅拌摩擦焊成形研究[J]. 李铁龙,杨新岐,王振山,孟淑英. 焊接技术. 2014(02)
[7]3mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能[J]. 苏斌,贺地求,杨坤玉,叶绍勇,赖瑞林,祝建明. 机械工程材料. 2013(05)
[8]强制冷却搅拌摩擦加工2024铝合金的组织性能研究[J]. 王快社,孔亮,王文,林兆霞,王峰. 稀有金属材料与工程. 2013(05)
[9]钢基表面热喷镍冷却过程中热力耦合场的三维有限元分析[J]. 刘广君,耿桂宏. 焊接学报. 2013(04)
[10]2012北京赛福斯特公司重大新闻[J]. 赵峰. 现代焊接. 2013 (01)
博士论文
[1]搅拌针截面形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响[D]. 宿浩.山东大学 2015
[2]Mg/Al异种合金搅拌摩擦连接板材接头性能及铣削变形研究[D]. 邓永芳.南京航空航天大学 2015
[3]7022铝合金搅拌摩擦连接工艺及后续铣削变形研究[D]. 汪洪峰.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]2014铝合金薄板搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 周洋.江苏科技大学 2017
[2]超薄铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能及流动特征研究[D]. 张亚彬.哈尔滨工业大学 2016
[3]搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析[D]. 万震宇.大连理工大学 2012
[4]6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究[D]. 张腾.西南交通大学 2012
[5]2000系/7000系铝合金搅拌摩擦焊特性研究[D]. 邹玉亮.沈阳航空航天大学 2011
[6]大厚度6061-T6铝合金板搅拌摩擦焊研究[D]. 罗维.中南大学 2010
[7]铝合金搅拌摩擦焊搭接接头焊缝组织及性能研究[D]. 吴铁.天津大学 2009
[8]铜及铜合金的搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 刘孟.大连交通大学 2006
本文编号：3717272
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
abstract
注释表
缩略词
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 FSJ研究现状
1.2.1 材料及连接工艺研究
1.2.2 FSJ缺陷的研究
1.2.3 FSJ接头区域材料流动性的研究
1.2.4 搅拌头作用力研究
1.2.5 数值模拟研究
1.3 MFSJ研究现状与存在问题
1.3.1 MFSJ研究现状
1.3.2 MFSJ存在问题
1.4 研究目的、意义和内容
1.4.1 研究目的和意义
1.4.2 研究内容
第二章 微细搅拌摩擦连接过程仿真分析
2.1 引言
2.2 MFSJ热源模型建立
2.2.1 产热过程
2.2.2 轴肩产热
2.2.3 搅拌针产热
2.2.4 塑性变形产热
2.3 MFSJ有限元模型建立
2.3.1 有限元模型的建立
2.3.2 摩擦系数的确定
2.3.3 控制方程及边界条件的设定
2.4 MFSJ过程热分析
2.4.1 极限轴肩直径分析
2.4.2 峰值温度分析
2.5 MFSJ过程数值模拟结果
2.5.1 温度场分析
2.5.2 热力耦合的变形分析
2.5.3 热流耦合的流场分析
2.6 本章小结
第三章 微细搅拌摩擦连接专用设备的研制
3.1 引言
3.2 设备的需求分析
3.2.1 功能需求分析
3.2.2 主要技术指标
3.3 主体结构设计
3.3.1 机械结构设计
3.3.2 辅助加热设备
3.3.3 搅拌头的设计
3.4 控制系统设计
3.5 性能测试分析
3.5.1 设备振动测试及分析
3.5.2 设备精度评定
3.6 本章小结
第四章 微细搅拌摩擦连接工艺研究
4.1 引言
4.2 实验材料及实验方法
4.2.1 实验材料
4.2.2 实验方法
4.3 表面弧纹分析
4.3.1 轴肩运动轨迹分析
4.3.2 Matlab仿真
4.4 不同参数的MFSJ实验
4.4.1 不同材料的实验结果
4.4.2 轴肩直径的影响
4.4.3 不同加热温度下的表面形貌
4.4.4 辅助加热时不同厚度板材的表面形貌
4.5 工艺参数优化
4.5.1 正交试验设计
4.5.2 各因素对实验结果的影响
4.5.3 方差分析(ANOVA)和综合优化参数
4.6 本章小结
第五章 微细搅拌摩擦连接过程作用力测试分析
5.1 引言
5.2 实验设计
5.3 作用力模型建立
5.3.1 模型简化
5.3.2 作用力拟合
5.3.3 实验结果验证
5.4 作用力规律分析
5.4.1 作用力周期性规律
5.4.2 工艺参数对接头性能的影响
5.4.3 加热对作用力的影响
5.5 本章小结
第六章 微细搅拌摩擦连接区性能评价
6.1 引言
6.2 评价指标
6.2.1 金相组织
6.2.2 显微硬度测试
6.2.3 原位对称拉伸实验
6.2.4 弯曲性能测试
6.2.5 摩擦磨损实验
6.2.6 电化学腐蚀实验
6.3 不同工况下接头性能测试结果
6.3.1 接头微观组织
6.3.2 硬度
6.3.3 原位对称拉伸性能
6.3.4 弯曲性能
6.3.5 摩擦磨损
6.3.6 电化学腐蚀
6.4 本章小结
第七章 结论与展望
7.1 全文总结
7.1.1 本文完成的工作
7.1.2 本文主要创新点
7.2 后续研究展望
参考文献
致谢
在学期间的研究成果及发表的学术论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]搅拌摩擦焊接产热传热过程与材料流动的数值模拟[J]. 武传松,宿浩,石磊. 金属学报. 2018(02)
[2]铝合金薄板高转速搅拌摩擦焊接头组织与力学性能[J]. 刘奋军,傅莉,陈海燕. 金属学报. 2017(12)
[3]工艺参数和搅拌头尺寸对2024铝合金和AZ31镁合金异种金属搅拌摩擦连接接头性能的影响[J]. 宋波,左敦稳. 材料导报. 2016(20)
[4]搅拌摩擦焊技术在中国的发展和推广应用[J]. 栾国红,郭德伦. 航空制造技术. 2014(17)
[5]搅拌摩擦焊焊接5083铝合金板材焊核区的晶体取向[J]. 袁鸽成,梁春朗,刘洪,袁潜. 焊接学报. 2014(08)
[6]商业AZ31镁合金搅拌摩擦焊成形研究[J]. 李铁龙,杨新岐,王振山,孟淑英. 焊接技术. 2014(02)
[7]3mm厚6061铝合金板固定双轴肩搅拌摩擦焊接头的显微组织与拉伸性能[J]. 苏斌,贺地求,杨坤玉,叶绍勇,赖瑞林,祝建明. 机械工程材料. 2013(05)
[8]强制冷却搅拌摩擦加工2024铝合金的组织性能研究[J]. 王快社,孔亮,王文,林兆霞,王峰. 稀有金属材料与工程. 2013(05)
[9]钢基表面热喷镍冷却过程中热力耦合场的三维有限元分析[J]. 刘广君,耿桂宏. 焊接学报. 2013(04)
[10]2012北京赛福斯特公司重大新闻[J]. 赵峰. 现代焊接. 2013 (01)
博士论文
[1]搅拌针截面形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响[D]. 宿浩.山东大学 2015
[2]Mg/Al异种合金搅拌摩擦连接板材接头性能及铣削变形研究[D]. 邓永芳.南京航空航天大学 2015
[3]7022铝合金搅拌摩擦连接工艺及后续铣削变形研究[D]. 汪洪峰.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]2014铝合金薄板搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 周洋.江苏科技大学 2017
[2]超薄铝合金搅拌摩擦焊接头组织性能及流动特征研究[D]. 张亚彬.哈尔滨工业大学 2016
[3]搅拌摩擦焊接数值模拟及搅拌头受力分析[D]. 万震宇.大连理工大学 2012
[4]6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究[D]. 张腾.西南交通大学 2012
[5]2000系/7000系铝合金搅拌摩擦焊特性研究[D]. 邹玉亮.沈阳航空航天大学 2011
[6]大厚度6061-T6铝合金板搅拌摩擦焊研究[D]. 罗维.中南大学 2010
[7]铝合金搅拌摩擦焊搭接接头焊缝组织及性能研究[D]. 吴铁.天津大学 2009
[8]铜及铜合金的搅拌摩擦焊工艺研究[D]. 刘孟.大连交通大学 2006
本文编号：3717272
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