2024铝合金搅拌摩擦焊研究

发布时间：2017-05-15 07:17

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【摘要】： 搅拌摩擦焊是一种新型固态材料连接技术,焊接过程中材料没有发生熔化,因而接头可以避免气孔、裂纹等金属凝固缺陷,接头强度高;同时由于焊接能量输入比较低,可以实现焊后工件的小变形。因此搅拌摩擦焊一被发明很快就被投入到工业化应用之中,如美国的宇航制造工业和汽车工业、北欧的船舶制造工业、日本的高速列车制造工业等。在其他如兵器工业、建筑、电力、能源、家电等领域,搅拌摩擦焊也具有广阔的应用前景。 2024铝合金具有高的比强度和良好的工艺加工性能,在飞机、汽车、船舶等结构中有着广泛的应用。但由于其熔焊时接头容易形成气孔、裂纹等缺陷,使接头性能降低,因而被定义为熔化焊方法不可焊材料,但该材料采用搅拌摩擦焊却具有优良的性能,因此适合作为本论文的研究对象。 本文自主设计搅拌头,通过选择合适的工艺参数,成功实现了硬铝合金2024-T4板材搅拌摩擦焊接;通过对接头成形和微观组织的研究得到可以实现焊接的工艺参数范围和工艺参数对接头成形的影响规律,并结合接头力学性能研究形成了接头性能与工艺参数之间的关系,并据此建立了优化工艺参数窗口,优化工艺参数下接头的抗拉强度可达到母材的80%以上。 论文还采用小孔法对接头的残余应力进行了测试,得到搅拌摩擦焊接头残余应力分布规律,发现纵向残余应力在焊缝两侧呈不对称分布,前进侧拉应力值较高,返回侧拉应力值较低;纵向残余应力峰值出现在前进侧轴肩作用边缘处,且显著低于熔化焊接头纵向残余应力峰值;在本文研究条件下,焊接速度越高,接头纵向残余应力峰值越大。 在试验研究的基础上,建立了搅拌摩擦焊过程数值模型,该模型同时包含温度场和搅拌头作用力以及夹具的影响;依据该模型能够对搅拌头扭矩、焊接输入功率进行预测,并能较好地反映搅拌摩擦焊接头残余应力不对称分布的特征;分析发现,搅拌头作用力的影响降低了纵向拉伸残余应力并使其在焊缝两侧呈不对称分布。
【关键词】：搅拌摩擦焊 铝合金 接头性能 残余应力 数值模拟
【学位授予单位】：清华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2007
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第1章 绪论9-19
• 1.1 选题背景和意义9
• 1.2 搅拌摩擦焊的研究现状9-18
• 1.2.1 材料及焊接工艺的研究10-13
• 1.2.2 接头组织的研究13-14
• 1.2.3 接头力学性能的研究14-15
• 1.2.4 接头硬度的研究15-17
• 1.2.5 接头残余应力的研究17-18
• 1.3 课题研究目标与内容18-19
• 第2章 试验材料与设备19-24
• 2.1 试验材料19
• 2.2 搅拌摩擦焊试验设备19-21
• 2.2.1 运动执行机构19-20
• 2.2.2 搅拌头20
• 2.2.3 夹具20-21
• 2.3 接头组织和性能分析方法及设备21-23
• 2.4 残余应力测试设备23-24
• 第3章 搅拌摩擦焊工艺试验24-38
• 3.1 引论24
• 3.2 焊接工艺参数范围与接头成形24-25
• 3.3 接头强度与工艺参数之间的关系25-30
• 3.3.1 接头强度与搅拌头转速之间的关系25-26
• 3.3.2 接头强度与焊接速度之间的关系26-27
• 3.3.3 接头强度与轴肩下压量之间的关系27-28
• 3.3.4 优化工艺参数窗口28-30
• 3.4 接头硬度分布特点30
• 3.5 接头微观组织分析30-33
• 3.6 拉伸断口分析33-37
• 3.7 本章小结37-38
• 第4章 接头残余应力的试验研究38-47
• 4.1 引论38
• 4.2 小孔法介绍38-39
• 4.3 残余应力测试过程39-40
• 4.4 钻孔附加应变的测试40
• 4.5 应变释放系数和主应力的计算方法40-42
• 4.6 接头残余应力分布特点42-45
• 4.7 接头残余应力与焊接速度的关系45-46
• 4.8 小结46-47
• 第5章 搅拌摩擦焊过程的数值模拟47-61
• 5.1 引论47
• 5.2 热力单向耦合数值模拟的技术路线47-48
• 5.3 焊接温度场分析48-54
• 5.3.1 几何模型、网格划分与边界条件48-50
• 5.3.2 材料特性50
• 5.3.3 热源模型50-52
• 5.3.4 扭矩和输入功率的预测52-53
• 5.3.5 数值模拟结果53-54
• 5.4 应力应变分析54-60
• 5.4.1 几何模型、网格划分与边界条件54-55
• 5.4.2 材料特性55-56
• 5.4.3 搅拌头作用力的施加56-57
• 5.4.4 数值模拟结果57-59
• 5.4.5 搅拌摩擦焊接头残余应力形成机制59-60
• 5.5 小结60-61
• 第6章 结论61-62
• 参考文献62-65
• 致谢65-66
• 附录A 可以实现2024 铝合金搅拌摩擦焊的工艺参数66-68
• 附录B 搅拌摩擦焊接头残余应力小孔法测试原始应变数据68-73
• 个人简历、在学期间发表的学术论文73

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 梁志芳;史清宇;康旭;;7A52铝合金搅拌摩擦焊工艺优化[J];焊接学报;2011年02期

2 贺地求;李生朋;李剑;贺暑俊;;1.8mm 2024-T4铝合金板的搅拌摩擦焊接[J];热加工工艺;2011年07期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 严军;光纤激光—电弧复合焊接高强铝合金工艺、缺陷产生与质量控制[D];华中科技大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 李生朋;铝合金薄板搅拌摩擦焊焊接变形机理与控制[D];中南大学;2011年

2 张腾;6061铝合金搅拌摩擦焊接工艺研究[D];西南交通大学;2012年

3 张伟彬;多元Al合金扩散系数研究及扩散行为模拟[D];中南大学;2012年

4 雷彬彬;翼片的挤压精密成形工艺及组织性能研究[D];重庆理工大学;2012年

  本文关键词：2024铝合金搅拌摩擦焊研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：367115