A Z3 1 镁合金搅拌摩擦点焊温度场和材料流动数值分析研究

摘要

搅拌摩擦点焊是在搅拌摩擦焊的工艺基础上开发出来的新型连接技术，利用高速旋转的搅拌头与板材摩擦生热，使焊接材料达到热塑性软化状态，形成类似于电阻点焊的搭接接头。AZ31镁合金作为一种高性能轻型结构材料，在汽车轻量化发展趋势下，研究其搅拌摩擦点焊工艺原理有重要意义。 本文以AZ31镁合金板材搅拌摩擦点焊工艺过程为研究对象，通过理论分析、有限元数值模拟和实验检测等相结合的方法，对点焊过程中的温度场分布和材料热塑性流动规律展开研究，主要包括温度场有限元模拟、实验数据分析和材料流动分析三部分。 温度场模拟部分使用 Deform-3D建立了基于连续固体力学 Johnson-Cook模型的 AZ31镁合金点焊瞬态温度场有限元模型，取工艺参数为搅拌头转速1000r/min，下压速度10mm/s，分析了点焊过程中摩擦和塑性变形产热机理和温度场分布规律。利用点追踪技术获取搅拌头轴肩底面和搅拌针底面温度数据，得到板材最高温度436℃，搅拌针最高温度421℃，相同工艺条件下实验所得搅拌针最高温度为428℃，模拟结果与实验数据基本吻合。 实验部分通过搅拌头植入热电偶和传感器检测等方式获取点焊过程中的温度、力矩和轴向力等实时参数。分析不同搅拌头转速和压入速度对温度场分布的影响：相同转速下，点焊过程压入速度增加，轴肩和搅拌针升温速率增加，最高温度基本不变；转速越大，点焊最高温度越大，但均低于镁合金熔点650℃，实验过程中获取搅拌针的最高温度为532℃，此时转速为3000r/min，最高升温速率为93.974℃/s，属于固相连接。基于实测力矩和轴向力，提出一种用于计算点焊过程中搅拌头的输入总能量和焊点材料升温热量的方法，3000r/min转速、2.5mm/s的压入速度条件下设备输入的总能量为7.49KJ，最终转化为材料温度升高的能量为49.835J，用于温度场的能量比率占6.7‰。 材料塑性流动分析部分基于流体力学的 Arrhenius本构方程推导出镁合金材料热塑性流动时粘度参数随变形温度和应变速率的变化关系式。利用Fluent软件分析三种搅拌头设计对点焊过程中材料流动的影响，结果表明带轴肩圆柱螺纹搅拌头在有效减少金属外溢、增加接触产热面积、更充分的搅拌热塑性流动和提供向下旋转分力等诸多方面优于前两者。分析了带轴肩圆柱螺纹搅拌头点焊的典型流场分布规律和转速的影响，流场整体对称分布，轴肩能影响到其下方1mm以上区域的材料流动；转速越高，轴肩和搅拌针的影响区域越大，材料流动性越高。 全文建立了基于连续固体力学的AZ31镁合金点焊瞬态温度场有限元模型，并用实验数据验证了点焊过程中搅拌头轴肩和搅拌针温度变化规律，依据实验数据进一步建立点焊过程材料流动分析有限元模型，分析了焊接工艺参数和搅拌头设计等因素对点焊中的温度场和材料流场的规律。为建立一定范围内，不同材料和工艺参数条件下的 FSSW有限元分析数据库和实际点焊生产工艺提供技术支持和理论参考。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 搅拌摩擦点焊技术简介

1.3 搅拌摩擦点焊的国内外研究现状

1.4 本文的主要研究目标和内容

第2章 搅拌摩擦点焊产热及材料流动机制

2.1 搅拌摩擦点焊温度场和材料塑性流动研究方法

2.2 搅拌摩擦点焊产热机理

2.3 搅拌摩擦点焊材料塑性流动机理分析

2.4 本章小结

第3章 AZ31镁合金搅拌摩擦点焊温度场有限元分析

3.1 引言

3.2 有限元理论及Deform-3D简介

3.3 有限元模型的建立和分析

3.4 温度场结果分析

3.5 本章小结

第4章AZ31镁合金搅拌摩擦点焊温度场实验研究

4.1 实验设备和材料

4.2 温度场测量

4.3 温度场结果分析

4.4 本章小结

第5章 搅拌摩擦点焊材料塑性流动有限元分析

5.1 引言

5.2 有限体积法和Fluent软件简介

5.3 有限元模型的建立

5.4 数值模拟结果分析

5.5 本章小结

第6章 全文总结与展望

6.1 全文总结

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文及研究成果