铝合金搅拌摩擦焊焊接缺陷预测方法及组织性能研究
发布时间：2021-02-07 04:36
搅拌摩擦焊（FSW）技术被广泛应用于铝合金焊接中,其具有接头强度高、残余应力低、焊接变形小等特点,但仍然存在内部缺陷难以预测、工艺参数试验周期长、接头组织性能不均匀等问题。本文以轨道车辆用7N01铝合金作为研究对象,采用热-流耦合模拟与试验相结合的方式,开展了搅拌摩擦焊焊接缺陷预测方法以及接头组织性能研究。本文主要研究内容包括:7N01铝合金性能与本构关系测试。298 K～773K拉伸试验表明材料表现出明显的温升软化现象;通过等温热压缩试验测试发现材料具有稳态流变特征和动态软化趋势,获得了含Z参数的材料高温流变应力本构关系;热物理性能测试结果表明在573 K时材料比热及热导率达到最大值。材料的性能测试结果和本构关系方程是开展FSW热-流耦合分析的基础。缺陷预测方法与工艺窗口制订。建立了搅拌摩擦焊接过程热-流耦合模型,通过热电偶测温对焊接温度,以及微弧氧化层标记材料嵌入技术对材料迁移行为分别进行了模型有效性验证;分析了焊接工艺参数对温度场、速度场和材料迁移行为的影响;基于接头在厚度方向上高温区域面积和旋转粒子数目的特征,阐明了孔洞型缺陷形成条件并建立了缺陷预测方法,进一步制订了7N01铝...
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1. 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 搅拌摩擦焊接过程
1.3 搅拌摩擦焊过程的数值模拟研究现状
1.4 搅拌摩擦焊材料迁移行为与缺陷成因研究现状
1.4.1 搅拌摩擦焊接的材料迁移行为
1.4.2 搅拌摩擦焊的材料的迁移机制
1.4.3 搅拌摩擦焊接孔洞型缺陷成因
1.5 搅拌摩擦焊微观组织与接头性能研究现状
1.5.1 FSW接头的动态再结晶行为
1.5.2 FSW接头的力学性能
1.5.3 7xxx铝合金厚板搅拌摩擦焊研究现状
1.6 论文的主要研究内容
2. 试验材料及测试方法
2.1 试验材料
2.2 7N01铝合金的热物理性能
2.3 7N01铝合金的力学性能
2.4 7N01铝合金的高温流变应力
2.4.1 材料等温热压缩试验
2.4.2 7N01铝合金真应力-真应变曲线
2.4.3 变形温度对7N01铝合金流变应力的影响
2.4.4 应变速率对7N01铝合金流变应力的影响
2.5 7N01铝合金流变应力本构方程的建立
2.5.1 7N01铝合金本构模型的选取
2.5.2 本构模型参数求解
2.6 试验测试方法及设备
2.6.1 焊接设备
2.6.2 标记嵌入试验及检测方法
2.6.3 金相分析方法
2.6.4 电子背散射衍射（EBSD）分析方法
2.6.5 透射电镜（TEM）方法
2.6.6 拉伸性能测试方法
2.6.7 显微硬度测试方法
2.7 本章小结
3. FSW过程的热-流耦合数值模拟
3.1 基本假设
3.2 控制方程
3.3 几何模型与网格划分
3.3.1 几何模型
3.3.2 网格划分
3.4 材料粘度
3.5 边界条件
3.5.1 产热模型
3.5.2 速度边界条件
3.5.3 热边界条件
3.6 数值算法
3.7 模型验证
3.7.1 温度场验证
3.7.2 材料迁移验证
3.8 工艺参数对温度场和速度场的影响
3.8.1 不同搅拌头转速下温度场与速度场模拟结果
3.8.2 不同焊接速度下温度场与速度场模拟结果
3.9 本章小结
4. FSW材料迁移行为与孔洞型缺陷预测方法
4.1 FSW材料迁移行为
4.2 孔洞型缺陷预测方法
4.2.1 搅拌头周围塑性区
4.2.2 焊接温度对孔洞型缺陷的影响
4.2.3 材料迁移对孔洞型缺陷的影响
4.3 验证试验
4.4 无缺陷的焊接工艺窗口
4.5 本章小结
5. FSW接头沿厚度方向上的组织与性能
5.1 焊接试验与模拟
5.2 接头宏观形貌与微观组织
5.2.1 接头宏观形貌
5.2.2 接头微观组织
5.2.3 晶粒及晶界取向
5.2.4 第二相粒子
5.3 沿厚度方向上的接头力学性能
5.3.1 显微硬度
5.3.2 分层拉伸试验分析
5.3.3 沿厚度方向上的应变硬化行为
5.3.4 拉伸断口
5.4 沿厚度方向上组织与性能的变化规律
5.4.1 接头微观组织的变化规律
5.4.2 接头力学性能的变化规律
5.5 本章小结
6. 结论与展望
6.1 本文主要工作及结论
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
附录A
附录B
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]2219铝合金不同气氛下TIG焊焊接接头组织性能[J]. 周政,王国庆,宋建岭,赵红星,杨春利. 焊接学报. 2018(07)
[2]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华. 航空学报. 2017(03)
[3]搅拌摩擦焊技术在轨道车辆铝合金车体制造中的应用与展望[J]. 韩晓辉,陶传琦,张铁浩,王新. 现代焊接. 2016(06)
[4]搅拌摩擦焊新技术在铝合金铁路货车开发上的应用展望[J]. 许永辉,于跃斌. 铁道车辆. 2015(12)
[5]7075铝合金变极性等离子弧焊接头组织与性能[J]. 李国伟,韩永全,陈芙蓉,李阳. 焊接学报. 2015(10)
[6]搅拌摩擦焊AA7075-T651铝合金厚板的显微组织和力学性能（英文）[J]. T.SRINIVASA RAO,G.MADHUSUDHAN REDDY,S.R.KOTESWARA RAO. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(06)
[7]动车组铝合金车体材料的发展与选型分析[J]. 何广忠,刘长青. 焊接. 2015(01)
[8]厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能沿厚度方向的变化规律[J]. 高辉,董继红,张坤,栾国红. 焊接学报. 2014(08)
[9]Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6Al4V alloy[J]. Shude JI 1) , Aili ZOU 1) , Yumei YUE 1) , Guohong LUAN 2) , Yanye JIN 1) and Fu LI 1) 1) Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China 2) Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2012(05)
[10]5A06铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 李宝华,唐众民,鄢江武,陈莹. 热加工工艺. 2011(11)
博士论文
[1]镁/钢无匙孔搅拌摩擦点焊工艺设备及接头结合机理研究[D]. 刘骁.兰州理工大学 2017
[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
[3]7085铝合金热加工力学行为及微观组织演变规律研究[D]. 刘文义.重庆大学 2014
[4]变形和热处理对Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金组织和性能的影响[D]. 彭国胜.中南大学 2012
硕士论文
[1]6082铝合金激光填丝焊焊接特性研究[D]. 冯时.哈尔滨工业大学 2018
[2]轨道客车常用铝合金5083、6082 MIG焊接工艺研究[D]. 乔建毅.吉林大学 2017
[3]2A12厚板铝合金电子束焊接接头组织及工艺研究[D]. 顾华.哈尔滨工业大学 2017
[4]A7N01铝合金焊接热模拟及微区腐蚀性能研究[D]. 章淑芳.西南交通大学 2016
[5]LD10铝合金摩擦塞补焊工艺研究[D]. 张加涛.哈尔滨工业大学 2013
[6]搅拌头形状与工艺参数对塑性金属迁移行为的影响[D]. 李宝华.南昌航空大学 2008
[7]7NO1铝合金高温变形行为研究[D]. 刘杰.湖南大学 2008
本文编号：3021664
【文章来源】：北京交通大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：130 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
致谢
摘要
ABSTRACT
1. 绪论
1.1 课题背景及意义
1.2 搅拌摩擦焊接过程
1.3 搅拌摩擦焊过程的数值模拟研究现状
1.4 搅拌摩擦焊材料迁移行为与缺陷成因研究现状
1.4.1 搅拌摩擦焊接的材料迁移行为
1.4.2 搅拌摩擦焊的材料的迁移机制
1.4.3 搅拌摩擦焊接孔洞型缺陷成因
1.5 搅拌摩擦焊微观组织与接头性能研究现状
1.5.1 FSW接头的动态再结晶行为
1.5.2 FSW接头的力学性能
1.5.3 7xxx铝合金厚板搅拌摩擦焊研究现状
1.6 论文的主要研究内容
2. 试验材料及测试方法
2.1 试验材料
2.2 7N01铝合金的热物理性能
2.3 7N01铝合金的力学性能
2.4 7N01铝合金的高温流变应力
2.4.1 材料等温热压缩试验
2.4.2 7N01铝合金真应力-真应变曲线
2.4.3 变形温度对7N01铝合金流变应力的影响
2.4.4 应变速率对7N01铝合金流变应力的影响
2.5 7N01铝合金流变应力本构方程的建立
2.5.1 7N01铝合金本构模型的选取
2.5.2 本构模型参数求解
2.6 试验测试方法及设备
2.6.1 焊接设备
2.6.2 标记嵌入试验及检测方法
2.6.3 金相分析方法
2.6.4 电子背散射衍射（EBSD）分析方法
2.6.5 透射电镜（TEM）方法
2.6.6 拉伸性能测试方法
2.6.7 显微硬度测试方法
2.7 本章小结
3. FSW过程的热-流耦合数值模拟
3.1 基本假设
3.2 控制方程
3.3 几何模型与网格划分
3.3.1 几何模型
3.3.2 网格划分
3.4 材料粘度
3.5 边界条件
3.5.1 产热模型
3.5.2 速度边界条件
3.5.3 热边界条件
3.6 数值算法
3.7 模型验证
3.7.1 温度场验证
3.7.2 材料迁移验证
3.8 工艺参数对温度场和速度场的影响
3.8.1 不同搅拌头转速下温度场与速度场模拟结果
3.8.2 不同焊接速度下温度场与速度场模拟结果
3.9 本章小结
4. FSW材料迁移行为与孔洞型缺陷预测方法
4.1 FSW材料迁移行为
4.2 孔洞型缺陷预测方法
4.2.1 搅拌头周围塑性区
4.2.2 焊接温度对孔洞型缺陷的影响
4.2.3 材料迁移对孔洞型缺陷的影响
4.3 验证试验
4.4 无缺陷的焊接工艺窗口
4.5 本章小结
5. FSW接头沿厚度方向上的组织与性能
5.1 焊接试验与模拟
5.2 接头宏观形貌与微观组织
5.2.1 接头宏观形貌
5.2.2 接头微观组织
5.2.3 晶粒及晶界取向
5.2.4 第二相粒子
5.3 沿厚度方向上的接头力学性能
5.3.1 显微硬度
5.3.2 分层拉伸试验分析
5.3.3 沿厚度方向上的应变硬化行为
5.3.4 拉伸断口
5.4 沿厚度方向上组织与性能的变化规律
5.4.1 接头微观组织的变化规律
5.4.2 接头力学性能的变化规律
5.5 本章小结
6. 结论与展望
6.1 本文主要工作及结论
6.2 主要创新点
6.3 展望
参考文献
附录A
附录B
作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果
学位论文数据集
【参考文献】：
期刊论文
[1]2219铝合金不同气氛下TIG焊焊接接头组织性能[J]. 周政,王国庆,宋建岭,赵红星,杨春利. 焊接学报. 2018(07)
[2]铝合金厚板搅拌摩擦焊焊缝疏松缺陷形成机理[J]. 毛育青,柯黎明,刘奋成,陈玉华. 航空学报. 2017(03)
[3]搅拌摩擦焊技术在轨道车辆铝合金车体制造中的应用与展望[J]. 韩晓辉,陶传琦,张铁浩,王新. 现代焊接. 2016(06)
[4]搅拌摩擦焊新技术在铝合金铁路货车开发上的应用展望[J]. 许永辉,于跃斌. 铁道车辆. 2015(12)
[5]7075铝合金变极性等离子弧焊接头组织与性能[J]. 李国伟,韩永全,陈芙蓉,李阳. 焊接学报. 2015(10)
[6]搅拌摩擦焊AA7075-T651铝合金厚板的显微组织和力学性能（英文）[J]. T.SRINIVASA RAO,G.MADHUSUDHAN REDDY,S.R.KOTESWARA RAO. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(06)
[7]动车组铝合金车体材料的发展与选型分析[J]. 何广忠,刘长青. 焊接. 2015(01)
[8]厚板铝合金搅拌摩擦焊接头组织及性能沿厚度方向的变化规律[J]. 高辉,董继红,张坤,栾国红. 焊接学报. 2014(08)
[9]Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6Al4V alloy[J]. Shude JI 1) , Aili ZOU 1) , Yumei YUE 1) , Guohong LUAN 2) , Yanye JIN 1) and Fu LI 1) 1) Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China 2) Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2012(05)
[10]5A06铝合金厚板搅拌摩擦焊工艺研究[J]. 李宝华,唐众民,鄢江武,陈莹. 热加工工艺. 2011(11)
博士论文
[1]镁/钢无匙孔搅拌摩擦点焊工艺设备及接头结合机理研究[D]. 刘骁.兰州理工大学 2017
[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
[3]7085铝合金热加工力学行为及微观组织演变规律研究[D]. 刘文义.重庆大学 2014
[4]变形和热处理对Al-Zn-Mg-Cu系超强铝合金组织和性能的影响[D]. 彭国胜.中南大学 2012
硕士论文
[1]6082铝合金激光填丝焊焊接特性研究[D]. 冯时.哈尔滨工业大学 2018
[2]轨道客车常用铝合金5083、6082 MIG焊接工艺研究[D]. 乔建毅.吉林大学 2017
[3]2A12厚板铝合金电子束焊接接头组织及工艺研究[D]. 顾华.哈尔滨工业大学 2017
[4]A7N01铝合金焊接热模拟及微区腐蚀性能研究[D]. 章淑芳.西南交通大学 2016
[5]LD10铝合金摩擦塞补焊工艺研究[D]. 张加涛.哈尔滨工业大学 2013
[6]搅拌头形状与工艺参数对塑性金属迁移行为的影响[D]. 李宝华.南昌航空大学 2008
[7]7NO1铝合金高温变形行为研究[D]. 刘杰.湖南大学 2008
本文编号：3021664
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jiaotonggongchenglunwen/3021664.html
