DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊塑性金属流动特性的研究

摘要

随着能源危机的日益严重，轻量化技术受到越来越多的关注。镁-钢连接件既能减轻整体结构的重量，又能保证结构的强度，有着良好的应用前景。可是，由于物理化学性能的差异和金属间化合物的形成，钢和镁及其合金的连接一直是焊接领域的难点。搅拌摩擦点焊作为一种优质、高效、节能和环保的固相连接方法，在航空、航天、船舶以及车辆制造等领域均有所应用，具有广阔的应用前景。
　　本文采用自行设计的无匙孔搅拌摩擦点焊焊机对1mm厚的DP600镀锌钢板和3mm厚的AZ31镁合金进行搭接点焊。焊后对接头分别进行横切、纵切及层切，采用扫描电镜(SEM)分析焊接接头显微组织和断口形貌。结果表明：镁钢间的混合主要发生在搅拌针作用区域，形成“机械互锁”的组织形貌，有利于增加两种材料的有效接触，形成复相强化；轴肩作用区镁钢间搅拌不明显，界面较平滑，镁钢界面形成了金属间化合物以及氧化镁，降低了接头的塑性和韧性。对DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊接头进行拉伸试验，发现焊接接头从搭接界面上断裂，断口呈“脉状花样”，为延性断裂。
　　为了得到DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊塑性金属流动的动态特征，利用有限元分析软件ANSYS模拟出点焊过程中的流场。焊接过程中金属的塑化程度跟温度相关，参阅文献，将轴肩与焊材的摩擦产热假设为面热源，搅拌针的摩擦产热假设为体热源，通过移动坐标系将瞬态问题转换为稳态问题，获得了搅拌摩擦点焊过程的温度场。发现最高温度出现在轴肩2/3处，且在镁合金固相线以下，表明DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊过程无熔化相生成。分析焊接时塑性金属的流动特性，发现DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊焊接过程中，焊点区域粘塑性金属流动方向与搅拌头旋转的方向一致，且围绕焊点中心指向焊点边缘；DP600上表面塑性金属流动的最大速度处在轴肩2/3处，镁/钢间的连接主要是在搅拌针的插入、后退及回抽的过程中相互嵌入对方，接头强度有明显提高，这也是无匙孔搅拌摩擦点焊优于其它焊接方法的原因。通过对比试验结果与模拟结果，发现数值模拟的结果基本上反应了焊接过程中塑性金属的大体走向，进一步揭示了无匙孔搅拌摩擦点焊连接机理。

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第1章 绪论

1.1 课题意义

1.2国内外研究现状

1.3 课题研究目标

1.4 课题研究内容

1.5课题创新点

第2章 实验材料、设备及方法

2.1实验材料

2.2实验设备

2.3实验方法

2.4数值模拟

2.5本章小结

第3章 DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊塑性金属流动特性研究

3.1 DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊接头宏观形貌

3.2塑性金属的流动特性

3.4断裂行为

3.5本章小结

第4章 DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊温度场

4.1 温度场热输入数值模型

4.2 温度场数值模拟过程

4.3无匙孔搅拌摩擦点焊的温度场分布

4.4搅拌头应力场

4.5本章小结

第5章 DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊塑性金属流动特性的数值模拟

5.1 流场控制方程

5.2 有限元模型

5.3 边界条件

5.4 流场模拟结果与分析

5.5 模拟结果与试验结果对比

5.6 本章小结

第6章 DP600/AZ31无匙孔搅拌摩擦点焊轴肩下压量对接头性能的影响

6.1有限元模型

6.2数值模拟结果

6.3不同轴肩下压量下镁钢点焊接头的宏观形貌

6.4轴肩下压量对接头力学性能的影响

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢

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