搅拌针截面形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响

摘要

搅拌头是搅拌摩擦焊接(FSW)工艺和设备的重要组成部分，也是决定焊缝质量的重要因素。大量的实验研究表明，搅拌头的形状会对焊缝的宏观形貌、微观组织以及焊接接头的力学性能等产生很大的影响。相对于传统的圆柱/圆台形搅拌针，复杂截面形状的搅拌针能显著提高焊接接头的性能并能改善搅拌头的受力状态。研究搅拌针形状对搅拌摩擦焊接热过程和塑性材料流动的影响，对于丰富FSW工艺理论和实现搅拌头的优化设计，具有重要的理论意义和工程实用价值。
　　针对常规的CT搅拌针（圆台形搅拌针），建立了FSW焊接过程的数学模型，分析FSW焊接过程中产热、温度分布和材料塑性流动的基本规律。考察了界面状态参量（滑移系数和摩擦系数）对模拟结果的影响。
　　根据搅拌头-工件界面上的受力特点，推导出了滑移系数和摩擦系数的表达式，该表达式中的搅拌头扭矩和轴向压力通过实验测得;轴肩/搅拌针底面与搅拌针侧面上的剪切应力比值，通过某些点的温度测量值与计算值的逼近而获得。基于这种测试-计算法，获得了不同工艺参数下的滑移系数和摩擦系数，避免了其取值的随意性，为提高数值模拟的精度奠定了基础。
　　综合考虑了复杂截面形状搅拌针ST（有4个平面的圆台形搅拌针）和TT（有3个平面的圆台形搅拌针）的特点，建立了三维“准稳态动参考系”+“瞬态滑移网格”模型，该模型更接近实际的搅拌摩擦焊接过程，且能兼顾计算时间和计算的准确性。重点讨论和分析了ST和TT在搅拌针侧面平面区域的产热、材料流动速度及受力状态，并采用测试-计算法研究了搅拌针形状对滑移系数和摩擦系数的影响规律。
　　基于建立的针对复杂截面形状搅拌针的FSW焊接过程数学模型，计算了CT、ST和TT三种搅拌头情况下焊接过程中的产热、温度分布和塑性流动行为，定量分析了不同时刻ST和TT搅拌针周围材料塑性流动的特点。研究发现，搅拌针形状对FSW焊接过程的总产热量和轴肩处的产热分布规律的影响很小，而对搅拌针侧面产热分布规律影响较大;搅拌针形状对最高温度的影响小于30 K，ST和TT搅拌针旋转过程中，搅拌针周围温度的波动振幅小于10 K; ST和TT搅拌针剪切层内的最大材料流动速度是CT搅拌针的2-3倍，ST和TT搅拌针对被焊材料的“搅拌作用”明显强于CT搅拌针。
　　开展了搅拌摩擦焊接工艺实验，测试了焊接热循环、材料流动和焊缝横断面。数值模拟结果和实验结果吻合情况良好。

目录

声明

摘要

主要符号表

第1章 前言

1．1 选题意义

1．2 搅拌摩擦焊接工艺

1．3 搅拌头

1．3．1 搅拌头的材料

1．3．2 搅拌头的形状和尺寸

1．3．3 搅拌头的形状尺寸对焊接过程及焊缝性能的影响

1．4 搅拌摩擦焊接过程的数值模拟

1．4．1 简化搅拌头形状的FSW数学模型

1．4．2 考虑复杂搅拌头形状的FSW数学模型

1．5 存在的问题

1．6 本文的主要研究内容

第2章 搅拌摩擦焊接过程的数学模型

2．1 简化和假设条件

2．2 几何模型与网格划分

2．3 控制方程

2．4 产热模型

2．5 边界条件

2．5．1 速度边界条件

2．5．2 热边界条件

2．6 材料物性参数

2．7 数值算法

2．7．1 控制方程的离散

2．7．2 求解方法

2．7．3 自定义函数的加载

2．8 界面状态参量取值对计算结果的影响

2．8．1 产热

2．8．2 温度分布

2．8．3 材料塑性流动

2．9 本章模型的不足之处

2．10 本章小结

第3章 滑移系数和摩擦系数的确定方法

3．1 搅拌头-工件的界面接触状态

3．1．1 滑移系数δ

3．1．2 摩擦系数μf

3．1．3 测试-计算法

3．2 测量实验

3．2．1 实验材料及搅拌头

3．2．2 实验设备

3．2．3 焊接扭矩和受力的测量

3．2．4 焊接热循环的测定

3．3 滑移系数和摩擦系数的测试-计算法

3．3．1 基本假设

3．3．2 求解方法

3．3．3 剪切应力比值φ

3．3．4 不同工艺参数下的滑移系数和摩擦系数

3．4 本章小结

第4章 复杂截面形状搅拌针的FSW数学模型

4．1 复杂截面形状搅拌针的特点

4．2 滑移网格技术的应用

4．3 几何模型和网格划分

4．4 控制方程

4．5 界面上的产热

4．6 界面上的材料流动速度

4．7 ST和TT搅拌头的滑移系数和摩擦系数

4．6．1 不同形状搅拌头的扭矩和受力

4．6．2 ST和TT搅拌头的测试-计算法

4．8 本章小结

第5章 结果与讨论

5．1 模拟结果的初步分析

5．2 产热分布

5．2．1 界面上的产热

5．2．2 剪切层内的产热

5．3 温度分布

5．4 材料塑性流动

5．4．1 材料流动“快照”

5．4．2 搅拌头一个旋转周期内的材料流动

5．4．3 材料流动区域

5．5 实验验证

5．5．1 关键点的焊接热循环和最高温度

5．5．2 材料流动及焊缝横断面

5．6 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表和撰写的论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间的获奖情况