铜合金搅拌摩擦焊搅拌头优化及失效研究

摘要

搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）是一种新型的连续的固相连接技术，其一经出现，就在焊接领域引起极大轰动，被认为是自激光焊接问世以来最引人注目和最具潜力的连接技术。由于搅拌摩擦焊自身独特的优势，吸引越来越多的科研机构进入到这一领域的研究工作中，使搅拌摩擦焊技术得到飞速发展。到目前为止，对搅拌摩擦焊的研究已经从铝合金的焊接向其他材料的焊接如铜、钛、镁和不锈钢等方面发展。 本课题针对铜合金搅拌摩擦焊搅拌头进行试验研究，得到合理优化的搅拌头并对搅拌头失效进行初步分析。 选用T10、9CrWMn、4Cr5MoSiV、GH4169以及GH864五种搅拌头材料，制作形状尺寸不同的搅拌头进行搅拌摩擦焊接试验，得到优化的搅拌头材料为GH4169和GH864，这两种材料能基本满足5mm厚H62铜合金搅拌摩擦焊的要求。搅拌头形状选用平台型和凹面型轴肩配合圆柱形和圆台形搅拌针，当轴肩直径与搅拌针直径比约为3：1时能得到理想焊缝，搅拌头的性能表现也最好。 设计不同形状尺寸的搅拌头进行试验，使用自制测力平台以及红外传感测温装置对焊接过程中的搅拌头进行受力及温度测量，得到数据用以辅助搅拌头形状尺寸的优化设计，同时比较分析不同搅拌头焊后焊缝表面与内部成形质量、接头金相组织及力学性能得到最优化的搅拌头形状尺寸参数。对优化的搅拌头进行使用寿命试验，在转速630rpm，焊速为70mm/min参数下，最优化搅拌头能达到1530mm的总焊接长度。 对焊接过程中搅拌头的失效进行检测，发现在下压过程中，搅拌针在断裂之前，主要出现“镦粗”变形失效；行进过程中搅拌头发生磨损以及断裂失效，而搅拌头的磨损又可分为粘结磨损与脆性剥落、氧化磨损、扩散磨损、磨粒磨损等。 利用有限元软件DEFORM-3D初步模拟了H62铜合金搅拌摩擦焊接过程中搅拌头温度场的分布，与试验测量数据进行比较，基本吻合。 针对基于磨损失效角度研制的铜及铜合金搅拌摩擦焊有利于改善和提高搅拌摩擦焊接接头的质量和工作效率，为后续的搅拌摩擦焊工艺的实现提供支持。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章绪论

1.1搅拌摩擦焊简介

1.2铜合金材料特点及其焊接性

1.3国内外搅拌摩擦焊技术研究现状综述

1.3.1搅拌摩擦焊研究现状

1.3.2铜合金搅拌摩擦焊研究现状

1.3.3搅拌头工具研究现状

1.4搅拌摩擦焊技术应用现状

1.5本课题研究内容和意义

第二章试验设备、材料及方法

2.1试验设备及材料

2.1.1搅拌摩擦焊试验设备

2.1.2试验材料

2.2试验方法

第三章铜合金搅拌摩擦焊搅拌头优化设计

3.1搅拌头材料优化及试验

3.1.1搅拌头总体寿命试验

3.1.2搅拌头失效行为简析

3.1.3搅拌摩擦焊下压阶段搅拌头失效行为

3.2搅拌头形状尺寸优化及试验

3.2.1搅拌头形状优化

3.2.2搅拌头尺寸优化

3.2.3搅拌头受力检测

3.2.4搅拌头实时温度检测

3.2.5搅拌头形状尺寸对焊缝表面质量的影响

3.2.5金相试验及力学性能试验

3.2.6搅拌头形状尺寸对其使用寿命的影响

3.2.7本节小结

3.3本章小结

第四章 搅拌头载荷分析与温度场数值模拟

4.1搅拌头载荷分析

4.2传热学及有限元理论

4.2.1传热学基础

4.2.2温度场基本方程

4.2.3边界条件与初始条件

4.2.4求解导热问题的基本方法

4.2.5有限单元法

4.2.6 DEFORM-3D软件简介

4.2.7有限元模型的建立

4.3搅拌头温度场数值模拟与结果分析

4.3.1几何模型的建立

4.3.2材料属性的定义

4.3.3网格划分

4.3.4有限元模型的基本假设

4.3.5模型运动边界条件

4.3.6加载与求解

4.3.7模拟结果分析

4.4本章小结

第五章铜合金搅拌摩擦焊搅拌头失效简析及改善展望

5.1搅拌头失效相关测试方法及分析方法

5.1.1摩擦系数的测量

5.1.2磨损量的测定方法

5.1.3搅拌头的表面分析

5.1.4搅拌头的磨损失效分析

5.2搅拌头失效形式

5.3搅拌头的磨损分析

5.3.1搅拌头磨损规律

5.3.2搅拌头磨损的影响因素

5.3.3搅拌头磨损形式分析

5.4改善措施及后续工作展望

5.5本章小结

结 论

参考文献

致谢

附录A攻读硕士期间所发表的论文