基于静轴肩搅拌摩擦焊的增材制造技术研究

发布时间：2017-07-08 17:08

  本文关键词：基于静轴肩搅拌摩擦焊的增材制造技术研究

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【摘要】：增材制造技术是一种快速发展的新兴技术,因其在复杂结构制造和小批量生产方面具有低成本、高效率等优点,受到广泛关注。常用的金属增材制造方法有激光、电子束和电弧增材制造,3种方法各具的优势和适用范围,在轻合金的增材技术上存在较多的问题。搅拌摩擦增材制造技术应运而生,在轻合金增材方面独具优势,但仍存在材料利用率低、加工余量大等问题,因此,开发一种小余量甚至无余量的固态增材制造方法十分必要。本文基于静轴肩搅拌摩擦焊原理,提出采用绿色、环保的静轴肩搅拌摩擦焊方法对铝合金进行增材制造。本文设计的静轴肩搅拌摩擦增材制造系统由静止轴肩系统、增材成形工具和专用夹具组成;采用自主设计的增材系统基本实现了2024-T4铝合金的无余量增材制造,成形良好,证明了静轴肩搅拌摩擦增材制造的可行性;随着增材层数的增加,有效增材宽度和增材率减小,材料有效利用率逐渐增加,总增材高度呈非线性增长。本文对静轴肩搅拌摩擦增材成形因素进行了较系统的研究。结果表明,锥形搅拌针成形工具配合滚轮碾压式轴肩有利于增材成形。单层增材区宽度及界面迁移高度随着行走速度的增加而减小,随着旋转速度的增加而增加;界面迁移深度随着行走速度的增加而逐渐增加,随着旋转速度的增加而减小。旋转速度为600rpm,行进速度为30mm/min时,增材区成形较好,无缺陷,界面迁移量较小,增材宽度较大。增材厚度较大时,增材区容易产生缺陷;搅拌针长度4mm、增材厚度3mm时,增材区成形良好,表面无缺陷;多层同向增材与逆向增材对增材区成形影响不大。约束状态对静轴肩搅拌摩擦增材成形有重要影响,宽板约束不利于增材成形,增材区变形大,易产生缺陷;窄板约束增材时,增材区不易变形,增材过程较稳定,有利于控制与预测增材区形状,为了实现无余量增材制造,应尽量减小基材宽度。同时,对铝合金静轴肩搅拌摩擦增材块体材料的成形、组织及性能进行了研究。硬度试验表明,增材前进边硬度略高于返回边,顶层硬度高于底层,同一水平位置显微硬度分布相对均匀,垂直方向上显微硬度存在梯度。拉伸试验表明,不同厚度位置水平拉伸强度差异较大,顶层强度高于底层,随着增材层数的增加,底层强度逐渐降低,最后趋于稳定,增材体拉伸性能在厚度方向存在各向异性。
【关键词】：静轴肩搅拌摩擦焊 增材制造 铝合金 近净成形 增材成形
【学位授予单位】：南昌航空大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题研究的目的及意义9-10
• 1.2 增材制造技术研究现状10-13
• 1.2.1 广义增材制造10
• 1.2.2 金属增材制造技术研究10-13
• 1.3 固态摩擦增材制造技术研究13-17
• 1.3.1 搅拌摩擦焊搭接技术13-14
• 1.3.2 静轴肩搅拌摩擦焊技术14-16
• 1.3.3 固态摩擦增材制造技术16-17
• 1.4 课题的研究内容17-18
• 第2章 试验材料及试验方法18-24
• 2.1 试验材料及设备18-19
• 2.1.1 试验材料18
• 2.1.2 试验设备18-19
• 2.2 试验方法19-24
• 2.2.1 静轴肩搅拌摩擦单层增材工艺试验19-21
• 2.2.2 静轴肩搅拌摩擦块体增材试验21
• 2.2.3 金相试验21-22
• 2.2.4 硬度试验22
• 2.2.5 拉伸试验22-24
• 第3章 静轴肩搅拌摩擦增材制造系统研制24-36
• 3.1 静轴肩搅拌摩擦增材制造原理24-25
• 3.2 静轴肩搅拌摩擦增材制造系统的整体设计方案25-26
• 3.3 静止轴肩系统的设计26-30
• 3.3.1 静止轴肩的设计28-29
• 3.3.2 增材成形工具的设计29-30
• 3.4 增材专用夹具的设计30-35
• 3.4.1 增材夹具整体设计方案30-31
• 3.4.2 夹具整体尺寸确定及移动装置设计31-32
• 3.4.3 夹紧机构与定位方式设计32-33
• 3.4.4 夹具使用方法33-35
• 3.5 小结35-36
• 第4章 静轴肩搅拌摩擦增材成形影响因素研究36-48
• 4.1 材料性能对增材成形的影响36-37
• 4.2 轴肩形状对增材成形的影响37-38
• 4.3 工艺参数对增材成形的影响38-43
• 4.3.1 行走速度对增材成形的影响38-40
• 4.3.2 旋转速度对增材成形的影响40-43
• 4.4 搅拌针形状对增材成形的影响43
• 4.5 增材厚度对增材成形的影响43-44
• 4.6 增材方向对增材成形的影响44-45
• 4.7 约束状态对增材成形的影响45-47
• 4.7.1 基材宽度对增材成形的影响45-46
• 4.7.2 底部约束对增材成形的影响46-47
• 4.8 小结47-48
• 第5章 静轴肩搅拌摩擦增材块体组织性能研究及缺陷分析48-66
• 5.1 静轴肩搅拌摩擦增材块体成形计算48-51
• 5.1.1 增材区特征参量表征48
• 5.1.2 增材块体评估指标计算方法48-51
• 5.2 静轴肩搅拌摩擦增材块体成形分析51-54
• 5.2.1 静轴肩搅拌摩擦增材宏观成形51-52
• 5.2.2 静轴肩搅拌摩擦增材横截面形貌52-53
• 5.2.3 静轴肩搅拌摩擦增材显微组织53-54
• 5.3 静轴肩搅拌摩擦块体增材力学性能54-61
• 5.3.1 静轴肩搅拌摩擦增材块体显微硬度54-56
• 5.3.2 静轴肩搅拌摩擦增材拉伸强度56-61
• 5.4 静轴肩搅拌摩擦增材缺陷分析61-65
• 5.4.1 增材表面成形缺陷61-63
• 5.4.2 增材区层间结合缺陷63-65
• 5.5 小结65-66
• 第6章 结论及展望66-68
• 6.1 结论66-67
• 6.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72

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3 林香祝;张敏;徐世珍;;搅拌摩擦焊技术的发展[A];第二届中国北方焊接学术会议论文集[C];2001年

4 关桥;栾国红;;搅拌摩擦焊的现状与发展[A];第十一次全国焊接会议论文集（第1册）[C];2005年

5 张彦华;常金玲;刘雪梅;;搅拌摩擦焊过程的流变学初步分析[A];第十一次全国焊接会议论文集（第1册）[C];2005年

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