搅拌摩擦焊塑性流动的物理模拟

论文摘要

本文采用塑泥作为物理模拟材料，焊后观察搅拌摩擦焊焊缝不同截面上标识塑泥的分布状况，根据塑泥的受力情况，分析塑性流动的驱动力及搅拌头形状对焊缝内部塑性流动行为的影响，得到不同方向塑性流动模式。此外，采用高速摄影仪捕捉焊接过程透明板材内部塑性流动形态。物理模拟结果表明：1）光面搅拌针焊接时，焊缝表层材料流动主要受到轴肩作用，沿旋转方向做连续“涂抹式”运动；搅拌针周围塑性材料在搅拌针粘滞力作用下，绕搅拌针运动，呈“漩涡式”流动形态。2）带螺纹搅拌针焊接时，焊缝表层材料进行同样的“涂抹式”迁移运动。采用左/右螺纹搅拌针时，搅拌针螺纹对材料向下/向上的挤压力致使材料沿搅拌针向下/向上做螺旋运动，塑性材料不断脱离搅拌针端部/根部，并最终在焊缝底部/表层积聚形成挤压区；搅拌针旋转搅拌作用和搅拌针表面粘滞力致使部分塑性材料绕搅拌针做周向迁移运动，填充后方瞬时空腔。可视化结果表明，光面搅拌针的搅拌作用促使塑性材料产生螺旋形整体向后迁移运动，填充后方瞬时空腔。带螺纹的搅拌针旋转搅拌和螺纹表面摩擦力驱使部分塑性材料绕搅拌针做周向运动；部分塑性材料在螺旋面挤压力作用下，沿搅拌针轴向运动，运动方向取决于螺纹旋向。左/右螺纹搅拌针抽吸效应使塑性材料在焊缝底部/表层产生积聚，产生粘连椭球体，但右螺纹表层产生积聚材料将在轴肩作用下朝焊缝内部流动填充后方瞬时空腔。塑泥、金属焊缝主要截面上的流动特征相符合，证明搅拌摩擦焊缝塑性流动行为物理模拟得到的结论可运用于金属焊缝塑性流动的研究，PVC透明板材可视化试验再一次验证塑泥模拟金属搅拌摩擦焊塑性流动形态的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 搅拌摩擦焊焊缝塑性金属流动的研究
• 1.3 物理模拟技术
• 1.3.1 相似理论与模拟准则
• 1.3.2 塑泥性能的探讨
• 1.4 课题研究内容
• 第2章 试验条件及方法
• 2.1 试验条件
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 试验设备
• 2.1.3 焊接夹具
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 塑泥塑性流动形态考察
• 2.2.2 塑性金属流动形态观察
• 2.2.3 可视化试验流动观察
• 第3章 基于塑泥的搅拌摩擦焊塑性流动分析
• 3.1 塑泥的选择
• 3.2 塑性流动相似性
• 3.2.1 颜色独立性
• 3.2.2 流动相似性
• 3.3 搅拌头受力情况分析
• 3.3.1 光面搅拌针表面作用力
• 3.3.2 螺纹搅拌针表面作用力
• 3.3.3 两种“抽吸-挤压”效应
• 3.4 搅拌摩擦焊基础塑性流动形态的研究
• 3.4.1 水平截面上塑性流动形态
• 3.4.2 纵截面上塑性流动形态
• 3.4.3 横截面上塑性流动形态
• 3.5 左螺纹搅拌针所焊焊缝塑性流动形态的研究
• 3.5.1 水平截面上塑性流动形态
• 3.5.2 纵截面上塑性流动形态
• 3.5.3 横截面上塑性流动形态
• 3.6 右螺纹搅拌针所焊焊缝塑性流动形态的研究
• 3.6.1 水平截面上塑性流动形态
• 3.6.2 纵截面上塑性流动形态
• 3.6.3 横截面上塑性流动形态
• 3.7 非稳定阶段塑性流动形态观察
• 3.7.1 起焊点
• 3.7.2 匙孔
• 3.8 典型接头内塑性流动形态分析
• 3.8.1 对接接头
• 3.8.2 搭接接头
• 3.9 本章小结
• 第4章 金属焊缝塑性流动模式的验证
• 4.1 “漩涡式”流动
• 4.2 焊缝水平截面上塑性流动形态
• 4.3 焊缝横截面上塑性流动形态
• 4.4 焊缝纵截面上塑性流动形态
• 4.5 本章小结
• 第5章 搅拌摩擦焊塑性流动的可视化
• 5.1 光面搅拌针
• 5.2 左螺纹搅拌针
• 5.3 右螺纹搅拌针
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢