攪拌摩擦焊接過程的多場檢測及耦合關鍵問題研究.pdf

1、攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,以下簡稱FSW)是英國焊接研究所(TWI)發(fā)明的一種新興的固態(tài)連接方法,因其具有在固態(tài)下完成焊接,不需要填充材料,無污染,易實現(xiàn)自動化,避免了熔焊時的常見缺陷的特點。并被美譽為綠色焊接技術,所以它一經(jīng)問世,就倍受材料加工界的青睞,正在被廣泛應用于航空航天、鐵路交通、輪船制造、工業(yè)難焊有色金屬材料的連接上,具有廣闊的市場應用前景,已發(fā)展成為在鋁合金等輕金屬結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術的

2、實用的工業(yè)化固相連接技術。攪拌摩擦焊接成型過程是一個受多參數(shù)影響的,溫度變化、組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、應力應變和金屬流動等多因素互相作用的復雜過程。溫度場、變形場、作用力是攪拌摩擦焊成形過程的主要組成部分,這三場之間存在高度非線性的復雜耦合作用,即三者(THM)耦合作用。從實驗研究角度出發(fā)結(jié)合有限元數(shù)值模擬,分別考察三場的演化規(guī)律及相互影響關系,得到與實際結(jié)果接近的溫度場分布和焊縫區(qū)塑性金屬流動模式及焊接過程中的三維動態(tài)壓力場,對于搞清攪拌摩擦焊

3、成型機理具有重要意義,為攪拌摩擦焊技術在更多材料更廣領域內(nèi)的應用奠定了基礎。
　　 本文以攪拌摩擦焊成型過程為研究對象,采用實驗研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)深入地研究了溫度場,變形場和作用力的演化規(guī)律及工藝參數(shù)對三維作用場的影響,并通過高溫拉伸實驗、摩擦實驗、高溫剪切強度實驗和熱力同時測量實驗探討了三維作用場的相互作用和耦合過程。本文的主要工作如下:
　　 1.對攪拌摩擦焊接過程三維動態(tài)溫度場進行了實時檢測和模擬,研

4、究了焊接參數(shù)對溫度場影響的規(guī)律:前進側(cè)溫度低于返回側(cè);摩擦頭前方、越靠近摩擦頭的地方溫度變化梯度越大,而后方溫度變化則較為緩慢;同時發(fā)現(xiàn)薄板與厚板溫度場的分布存在很大區(qū)別:沿厚度方向薄板溫度分布呈無底的碗狀,厚板呈花瓶狀。
　　 2.針對攪拌摩擦焊焊核區(qū)塑性金屬的流動,利用示蹤粒子能譜掃描的方法和嵌入標示材料低倍流線觀測的方法,實現(xiàn)了對塑性金屬材料在焊核區(qū)動態(tài)快速的流變復雜過程的表征。結(jié)合實驗中的觀測到的現(xiàn)象,選用κ-ε紊流計算

5、模型,利用Fluent流體力學仿真軟件,初步實現(xiàn)了攪拌摩擦焊焊核區(qū)金屬流動過程的數(shù)值模擬,并利用切片法得到了不同深度材料的流動狀態(tài)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):前進側(cè)金屬流動更多表現(xiàn)出剪切特性,而返回側(cè)金屬塑性變形較大,發(fā)生了較充分的流動;轉(zhuǎn)速對金屬流動影響最大,隨著轉(zhuǎn)速的增加金屬流動增強,但太大的轉(zhuǎn)速,卻會出現(xiàn)孔洞型缺陷,主要是因為前進側(cè)金屬剪切層較多,返回側(cè)金屬來不及補充所致;同時發(fā)現(xiàn)焊接過程塑性金屬流動最有利于焊接成型時會出現(xiàn)洋蔥圓環(huán)狀組織。<

6、br>　　 3.針對攪拌摩擦焊作為一種固態(tài)焊接技術,壓力對成型起到至關重要的作用,特別設計了三維動態(tài)壓力測量裝置,實現(xiàn)了前進力、側(cè)向力和軸向力的動態(tài)測量,并利用Deform仿真軟件實現(xiàn)了動態(tài)應力場的數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn):側(cè)向力只在摩擦頭下壓階段出現(xiàn);軸向力是焊縫成型最關鍵的因素;并且下壓量對軸向力的影響最大。焊接所需能量在轉(zhuǎn)速一定時隨焊速的增加而增加。但在焊速一定時,卻出現(xiàn)特殊情況,焊接所需能量則隨著轉(zhuǎn)速的增加先大后小。利用直接檢測法卻出現(xiàn)

7、了和電測法中不同的現(xiàn)象:軸向力隨轉(zhuǎn)速增加呈單調(diào)下降趨勢,焊速對軸向力的影響不大。這說明了焊接能量不僅通過軸向力摩擦做功,其周向的剪切力作功也占很大比重。
　　 4.針對攪拌摩擦焊是多物理場共同作用、相互耦合的復雜過程,針對其單物理場研究和模擬與實際結(jié)果差別較大的情況,找到了三場之間建立聯(lián)系的關鍵途徑,初步實現(xiàn)了基于耦合關系的攪拌摩擦焊接動態(tài)過程數(shù)值模擬。其中通過對溫度與材料摩擦系數(shù)間關系的確定,建立熱力間聯(lián)系;通過考慮溫度效應的