搅拌针几何特征对FSW焊接热过程和材料流动的影响

发布时间：2021-05-27 13:23

　　搅拌头（焊具）是搅拌摩擦焊接（FSW）设备中最重要的部件之一,直接决定着焊接过程中的产热和材料流动,并最终影响焊缝微观组织和接头力学性能。通过优化焊具几何形状来提高焊接效率和焊接质量是目前对原有工艺改动最小、成本最低、且效果显著的一种策略。然而,搅拌针几何形状的设计和加工制造目前仍依赖于试错法,复杂形状搅拌针对焊接过程中产热传热和材料流动的作用机理还有待进一步探究。在本研究中,我们在工艺试验的基础上,对构成复杂形状搅拌针的两种基本几何特征（螺纹和平面）建立三维计算流体力学（CFD）模型,定量研究了 9种典型几何形状的搅拌针对FSW焊接热过程和材料流动的影响机理。首先选取带UP（无螺纹锥形搅拌针）、TP（锥形+右旋螺纹搅拌针）和LTP（锥形+左旋螺纹搅拌针）三种搅拌针的搅拌头,开展了 6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接工艺试验研究。拉伸试验结果表明,使用TP搅拌针可以有效提高焊接接头的抗拉强度和断后延伸率;在低热输入的焊接参数条件下螺纹的作用效果尤为显著。通过搅拌头急停将标记材料在匙孔周围的分布“冷冻”下来,借助CT技术对标记材料的分布进行了三维重建。结果表明,螺纹可以有效提高标记材料分... 

【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：230 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
第1章 前言
    1.1 选题意义
    1.2 搅拌摩擦焊接过程中的关键物理状态
        1.2.1 FSW及其改型工艺简介
        1.2.2 FSW过程中的关键物理状态
    1.3 搅拌头几何特征及其对焊接质量的影响
        1.3.1 轴肩
        1.3.2 搅拌针
    1.4 搅拌摩擦焊接过程的数值模拟
        1.4.1 数值模型发展现状
        1.4.2 复杂形状搅拌针的FSW数学模型
    1.5 存在问题及本文主要工作
第2章 搅拌针螺纹对接头性能和材料流动影响的试验研究
    2.1 试验材料与试验方法
        2.1.1 试验材料
        2.1.2 试验方法
    2.2 搅拌针有无螺纹时的接头拉伸性能
    2.3 搅拌针有无螺纹时的材料流动
    2.4 本章小结
第3章 搅拌针带螺纹时的FSW过程建模
    3.1 无螺纹锥形搅拌针的FSW模型
        3.1.1 简化和假设
        3.1.2 几何模型与网格划分
        3.1.3 控制方程组
        3.1.4 材料物性参数
        3.1.5 速度边界条件的确定
        3.1.6 产热模型
        3.1.7 滑移率的确定
        3.1.8 摩擦系数的确定
        3.1.9 求解算法及过程
        3.1.10 结果与讨论
    3.2 考虑搅拌针螺纹时FSW过程建模的总体思路
    3.3 螺纹特征的建模
        3.3.1 螺旋传动的种类和特点
        3.3.2 搅拌针表面螺纹对材料的驱动作用
        3.3.3 螺纹对焊接过程中产热的影响
    3.4 螺纹参数的变化对材料流动和产热的影响
        3.4.1 搅拌针螺纹螺距
        3.4.2 搅拌针螺纹旋向
        3.4.3 搅拌针螺纹头数
    3.5 本章小结
第4章 考虑螺纹时FSW过程参量的数值分析结果与实验验证
    4.1 搅拌针螺纹对塑性材料流动的影响
        4.1.1 流线图
        4.1.2 矢量图
        4.1.3 材料流动速度场
        4.1.4 应变分布
    4.2 螺纹对产热传热的影响
        4.2.1 接触界面产热
        4.2.2 剪切层内粘性耗散产热
        4.2.3 温度分布
    4.3 螺距的影响
        4.3.1 螺距对材料流动的影响
        4.3.2 螺距对焊接热过程的影响
    4.4 螺纹旋向的影响
    4.5 螺纹头数的影响
    4.6 模拟结果的验证
    4.7 本章小结
第5章 带“平面+螺纹”搅拌针对FSW过程参量的影响
    5.1 带“平面+螺纹”的搅拌针
    5.2 搅拌针“平面”和“螺纹”特征的处理和描述
        5.2.1 平面特征的作用
        5.2.2 螺纹特征的作用
        5.2.3 “平面+螺纹”特征搅拌针的综合作用效果
    5.3 结果与讨论
        5.3.1 材料流动
        5.3.2 应变和应变速率
        5.3.3 产热传热
    5.4 本章小结
第6章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间已发表和撰写的论文
攻读博士学位期间参与的科研项目
攻读博士学位期间的获奖情况
附件
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]搅拌针锥度和螺纹头数对厚板铝合金FSW焊缝金属迁移的影响[J]. 赵艺达,柯黎明,刘奋成,毛育青.  焊接学报. 2016(10)
[2]静止轴肩搅拌摩擦焊的研究进展[J]. 刘会杰,李金全,段卫军.  焊接学报. 2012(05)
[3]搅拌针表面螺纹头数与轴肩下压量对金属轴向迁移的影响[J]. 王晓东,柯黎明,邢丽,杨成刚.  中国有色金属学报. 2010(01)
[4]搅拌针形状对搅拌摩擦焊焊缝截面形貌的影响[J]. 柯黎明,潘际銮,邢丽,王善林.  焊接学报. 2007(05)
[5]特种螺旋传动机构的研究[J]. 梁锡昌,蒋建东,李润方,陈小安.  机械工程学报. 2003(10)
[6]搅拌摩擦焊研究进展及前景展望[J]. 张华,林三宝,吴林,冯吉才,栾国红.  焊接学报. 2003(03)

博士论文
[1]超声振动强化搅拌摩擦焊接热过程及材料流动的数值分析[D]. 石磊.山东大学 2016
[2]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



本文编号：3207648