搅拌头形状与工艺参数对塑性金属迁移行为的影响

论文摘要

本文以铝箔作为标示材料,采用三种不同方式将其镶嵌于母材LY12铝合金中,分别选用六种形状的搅拌头进行搅拌摩擦焊试验,焊后沿焊缝中心线方向、垂直于焊缝方向和平行焊缝表面的方向截取金相试样,通过观测标示材料的分布特征,分析搅拌头形状及工艺参数对焊缝塑性金属迁移行为的影响。建立焊缝塑性金属的三维流场模型,利用FLUENT软件进行模拟计算,分析了塑性金属的三维速度场、流线轨迹。研究结果表明:搅拌头形状是影响塑性金属迁移行为的重要因素。焊接过程中,带左旋螺纹的搅拌针驱使其附近的塑性金属向下迁移并聚积在搅拌端部形成一呈洋葱环状的挤压区,由于垫板的阻碍作用,挤压区开始挤压其外围的金属向上迁移;而带右旋螺纹搅拌针的作用方式则相反,塑性金属聚积在搅拌针根部形成一个挤压区,挤压其外围的金属向下迁移。基于流体力学理论以及试验观察结果,建立了焊缝塑性金属的抽吸—挤压物理模型,搅拌针表面的螺纹是驱动塑性金属在厚度方向上迁移的主要原因。搅拌针螺距越大,塑性金属在焊缝厚度方向上的抽吸—挤压现象越显著,形成挤压区的面积也越大;随着轴肩直径的增大,挤压区更易于在焊缝厚度方向上扩张。塑性金属在厚度方向上的迁移行为与工艺参数的选择有关。随着旋转速度的提高,洋葱环的直径及其外围的金属在焊缝厚度方向向上迁移的位移先增大后减小。随着焊接速度的提高,洋葱环的直径及其外围的金属在焊缝厚度方向向上迁移的位移减小。焊接速度在47.5mm/min～118mm/min范围内变化,保持相同n/v比,低速焊接有利于提高焊缝质量。下压量增大有利于形成致密的焊缝,但过大的下压量会导致焊缝表面金属亏损。搅拌针端面与板材底面保持一定间隙有利于焊缝背面成形,间隙过大焊缝底部容易出现未焊透。模拟结果表明:塑性金属在厚度方向上发生了循环迁移,左旋螺纹搅拌针附近的塑性金属沿其表面螺纹向下迁移,其外围的金属则向上迁移;右旋螺纹搅拌针附近的塑性金属沿其表面螺纹向上迁移,其外围的金属则向下迁移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 国内外研究概况
• 1.2.1 焊缝塑性金属迁移行为的试验观察
• 1.2.2 搅拌头形状对焊缝成形的研究
• 1.2.3 工艺参数对焊缝成形的研究
• 1.2.4 焊缝塑性金属迁移行为的数值模拟研究
• 1.3 研究内容
• 第2章 试验条件与方法
• 2.1 试验条件
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验设备
• 2.2 试验方法
• 2.3 金相试样的制备
• 第3章 搅拌头形状对塑性金属迁移行为的影响
• 3.1 螺纹旋向对塑性金属迁移行为的影响
• 3.1.1 水平截面上金属的迁移
• 3.1.2 横截面上金属的迁移
• 3.1.3 纵截面上金属的迁移
• 3.1.4 焊缝金属三维迁移状况
• 3.1.5 抽吸-挤压物理模型
• 3.2 搅拌针螺距对塑性金属迁移行为的影响
• 3.2.1 水平截面上金属的迁移
• 3.2.2 横截面上金属的迁移
• 3.3 轴肩直径对塑性金属迁移行为的影响
• 3.4 洋葱环形成机制探讨
• 3.5 本章小结
• 第4章 工艺参数对塑性金属迁移行为的影响
• 4.1 旋转速度对塑性金属迁移行为的影响
• 4.2 焊接速度对塑性金属迁移行为的影响
• 4.3 相同n/v比不同焊接速度对塑性金属迁移行为的影响
• 4.4 下压量对塑性金属迁移行为的影响
• 4.5 搅拌针端面与底板间隙对塑性金属迁移行为的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 焊缝塑性金属流场的数值模拟
• 5.1 CFD软件FLUENT的简介
• 5.2 物理模型
• 5.3 主控方程
• 5.4 基于FLUENT软件的有限元模型
• 5.4.1 几何模型的建立及网格划分
• 5.4.2 计算模型的选取
• 5.5 定解条件及求解计算
• 5.5.1 初始条件
• 5.5.2 边界条件
• 5.5.3 求解计算
• 5.6 模拟结果与分析
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢