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

发布时间：2017-04-02 13:01

  本文关键词：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，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：搅拌头是搅拌摩擦焊接(FSW)工艺和设备的重要组成部分,也是决定焊缝质量的重要因素。大量的实验研究表明,搅拌头的形状会对焊缝的宏观形貌、微观组织以及焊接接头的力学性能等产生很大的影响。相对于传统的圆柱／圆台形搅拌针,复杂截面形状的搅拌针能显著提高焊接接头的性能并能改善搅拌头的受力状态。研究搅拌针形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响,对于丰富FSW工艺理论和实现搅拌头的优化设计,具有重要的理论意义和工程实用价值。针对常规的CT搅拌针(圆台形搅拌针),建立了FSW焊接过程的数学模型,分析FSW焊接过程中产热、温度分布和材料塑性流动的基本规律。考察了界面状态参量(滑移系数和摩擦系数)对模拟结果的影响。根据搅拌头-工件界面上的受力特点,推导出了滑移系数和摩擦系数的表达式,该表达式中的搅拌头扭矩和轴向压力通过实验测得；轴肩／搅拌针底面与搅拌针侧面上的剪切应力比值,通过某些点的温度测量值与计算值的逼近而获得。基于这种测试-计算法,获得了不同工艺参数下的滑移系数和摩擦系数,避免了其取值的随意性,为提高数值模拟的精度奠定了基础。综合考虑了复杂截面形状搅拌针ST(有4个平面的圆台形搅拌针)和TT(有3个平面的圆台形搅拌针)的特点,建立了三维“准稳态动参考系”+“瞬态滑移网格”模型,该模型更接近实际的搅拌摩擦焊接过程,且能兼顾计算时间和计算的准确性。重点讨论和分析了ST和TT在搅拌针侧面平面区域的产热、材料流动速度及受力状态,并采用测试-计算法研究了搅拌针形状对滑移系数和摩擦系数的影响规律。基于建立的针对复杂截面形状搅拌针的FSW焊接过程数学模型,计算了CT、ST和TT三种搅拌头情况下焊接过程中的产热、温度分布和塑性流动行为,定量分析了不同时刻ST和TT搅拌针周围材料塑性流动的特点。研究发现,搅拌针形状对FSW焊接过程的总产热量和轴肩处的产热分布规律的影响很小,而对搅拌针侧面产热分布规律影响较大；搅拌针形状对最高温度的影响小于30 K,ST和TT搅拌针旋转过程中,搅拌针周围温度的波动振幅小于10 K；ST和TT搅拌针剪切层内的最大材料流动速度是CT搅拌针的2-3倍,ST和TT搅拌针对被焊材料的“搅拌作用”明显强于CT搅拌针。开展了搅拌摩擦焊接工艺实验,测试了焊接热循环、材料流动和焊缝横断面。数值模拟结果和实验结果吻合情况良好。
【关键词】：搅拌摩擦焊接 搅拌针形状 滑移系数 摩擦系数 热过程 塑性流动 数值模拟
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要11-13
• ABSTRACT13-15
• 主要符号表15-17
• 第1章 前言17-39
• 1.1 选题意义17-18
• 1.2 搅拌摩擦焊接工艺18-19
• 1.3 搅拌头19-25
• 1.3.1 搅拌头的材料20
• 1.3.2 搅拌头的形状和尺寸20-24
• 1.3.3 搅拌头的形状尺寸对焊接过程及焊缝性能的影响24-25
• 1.4 搅拌摩擦焊接过程的数值模拟25-35
• 1.4.1 简化搅拌头形状的FSW数学模型25-32
• 1.4.2 考虑复杂搅拌头形状的FSW数学模型32-35
• 1.5 存在的问题35-36
• 1.6 本文的主要研究内容36-39
• 第2章 搅拌摩擦焊接过程的数学模型39-55
• 2.1 简化和假设条件39
• 2.2 几何模型与网格划分39-40
• 2.3 控制方程40-41
• 2.4 产热模型41-42
• 2.5 边界条件42-43
• 2.5.1 速度边界条件42-43
• 2.5.2 热边界条件43
• 2.6 材料物性参数43-44
• 2.7 数值算法44-49
• 2.7.1 控制方程的离散45-47
• 2.7.2 求解方法47-48
• 2.7.3 自定义函数的加载48-49
• 2.8 界面状态参量取值对计算结果的影响49-54
• 2.8.1 产热49-51
• 2.8.2 温度分布51-53
• 2.8.3 材料塑性流动53-54
• 2.9 本章模型的不足之处54
• 2.10 本章小结54-55
• 第3章 滑移系数和摩擦系数的确定方法55-73
• 3.1 搅拌头-工件的界面接触状态55-58
• 3.1.1 滑移系数δ55-57
• 3.1.2 摩擦系数μf57-58
• 3.1.3 测试-计算法58
• 3.2 测量实验58-65
• 3.2.1 实验材料及搅拌头58-59
• 3.2.2 实验设备59-60
• 3.2.3 焊接扭矩和受力的测量60-64
• 3.2.4 焊接热循环的测定64-65
• 3.3 滑移系数和摩擦系数的测试-计算法65-71
• 3.3.1 基本假设65-66
• 3.3.2 求解方法66-68
• 3.3.3 剪切应力比值φ68-71
• 3.3.4 不同工艺参数下的滑移系数和摩擦系数71
• 3.4 本章小结71-73
• 第4章 复杂截面形状搅拌针的FSW数学模型73-93
• 4.1 复杂截面形状搅拌针的特点73-74
• 4.2 滑移网格技术的应用74-76
• 4.3 几何模型和网格划分76-78
• 4.4 控制方程78
• 4.5 界面上的产热78-79
• 4.6 界面上的材料流动速度79-84
• 4.7 ST和TT搅拌头的滑移系数和摩擦系数84-92
• 4.7.1 不同形状搅拌头的扭矩和受力84-88
• 4.7.2 ST和TT搅拌头的测试-计算法88-92
• 4.8 本章小结92-93
• 第5章 结果与讨论93-125
• 5.1 模拟结果的初步分析93-94
• 5.2 产热分布94-103
• 5.2.1 界面上的产热95-97
• 5.2.2 剪切层内的产热97-103
• 5.3 温度分布103-108
• 5.4 材料塑性流动108-116
• 5.4.1 材料流动“快照”108-109
• 5.4.2 搅拌头一个旋转周期内的材料流动109-113
• 5.4.3 材料流动区域113-116
• 5.5 实验验证116-123
• 5.5.1 关键点的焊接热循环和最高温度116-121
• 5.5.2 材料流动及焊缝横断面121-123
• 5.6 本章小结123-125
• 第6章 结论与展望125-127
• 6.1 结论125-126
• 6.2 展望126-127
• 参考文献127-141
• 致谢141-143
• 攻读博士学位期间已发表和撰写的论文143-145
• 攻读博士学位期间参与的科研项目145
• 攻读博士学位期间的获奖情况145-147
• 附录147-171
• 附件171

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 贺永海,张立武;搅拌摩擦焊用搅拌头的研究进展[J];航天制造技术;2005年05期

  本文关键词：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，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：282511