5083铝合金搅拌摩擦焊工艺及其有限元模拟研究

论文摘要

搅拌摩擦焊是一种新型的固相连接工艺。本文采用搅拌摩擦焊接3.5mm厚5083-H321铝合金，参数合适时可以得到成型良好的接头，最高接头抗拉强度可达母材的93.6％，正弯和背弯都可以达到180°而不出现裂纹；焊接参数选择不当时，会产生孔洞缺陷，严重时还会出现隧道型缺陷。从本文有限的试验中可以得出接头无孔洞缺陷的条件是：热输入应大于569.72 J／mm。热输入小于146.95J／mm时孔洞进一步演化成为隧道型缺陷。 对搅拌摩擦焊接过程中扭矩的测量和分析可以为搅拌头和FSW设备的设计提供参考，尤其是在焊接高温材料如Ti、Ni和铁合金时；通过扭矩可以对FSW过程进行实时控制，在FSW达到稳态时保持扭矩的恒定有助于获得质量均匀的焊缝；最后还可以通过扭矩来验证FSW模型。本试验采用扭矩传感器实时测量焊接时主轴的扭矩，发现在焊接进入准稳态时扭矩基本保持恒定。 对5083铝合金FSW接头微观组织进行观察发现，焊核上部呈冠状，中下部为焊核沉积区；核心可以看到洋葱环结构。焊核区域在强烈的热机作用下发生动态回复和再结晶，得到细小等轴晶粒。焊缝过渡区也经历热机过程，但由于变形应变不足没有发生动态再结晶，所以组织晶粒以大变形结构为特征。前进侧焊核区与过渡区的界限比后退侧的明显。 建立了FSW过程的热输入模型。通过扭矩计算得出焊接过程中压入、停留和稳态焊接三个阶段的热输入，并利用模型对各个阶段的温度场进行了模拟。模拟结果表明随着搅拌针压入深度的增加，加热速度在增加；压入后适当的停留使预热温度进一步提高，对焊接有利；在高能量输入的情况下，稳态焊接过程最高温度超过600℃。模型计算结果与测温特征点的温度接近。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 本文主要的创新与贡献
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 搅拌摩擦焊原理
• 1.2.1 搅拌摩擦焊中的术语
• 1.2.2 焊接参数
• 1.2.3 搅拌摩擦焊的接头形式
• 1.2.4 搅拌摩擦焊的特点
• 1.3 搅拌摩擦焊研究现状
• 1.3.1 搅拌头
• 1.3.2 搅拌摩擦焊中的缺陷
• 1.3.3 搅拌摩擦焊缝微观组织
• 1.3.4 FSW过程中的力和温度分布
• 1.3.5 搅拌摩擦焊中的材料流动
• 1.3.6 FSW模拟现状
• 1.3.7 FSW可焊接材料
• 1.4 本文选题背景及意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 1.6 本章小结
• 第二章 搅拌摩擦焊工艺试验与研究方案
• 2.1 引言
• 2.2 试验材料和设备
• 2.3 焊接工艺参数
• 2.4 试验方法
• 2.4.1 X光检验
• 2.4.2 力学性能试验
• 2.4.3 金相组织观察
• 2.4.4 扭矩测量
• 2.4.5 温度测量
• 2.5 有限元的基本思想及步骤
• 2.6 ANSYS热分析基础
• 2.6.1 热传递方式
• 2.6.2 热分析的分类
• 2.6.3 温度场基本方程
• 2.7 本章小结
• 第三章 搅拌摩擦焊试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 焊缝外观
• 3.3 焊缝 X射线检测结果
• 3.4 焊缝力学试验结果
• 3.4.1 弯曲试验
• 3.4.2 拉伸试验
• 3.5 扭矩测量结果
• 3.6 温度测量结果
• 3.7 金相试验
• 3.7.1 焊缝宏观形貌
• 3.7.2 焊缝缺陷
• 3.7.3 焊缝微观形貌
• 3.7.4 避免孔洞缺陷产生的条件
• 3.8 本章小结
• 第四章 搅拌摩擦焊过程的模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 搅拌摩擦焊热输入模型
• 4.2.1 几何条件
• 4.2.2 单元和网格
• 4.2.3 时间条件
• 4.2.4 物理条件
• 4.2.5 边界条件
• 4.2.6 加载与求解
• 4.3 模拟结果
• 4.3.1 压入和停留过程模拟结果
• 4.3.2 稳态焊接过程模拟
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间所发表的论文
• 致谢