搅拌摩擦焊隔热搅拌头研究

摘要

搅拌摩擦焊是一种焊接过程中被焊材料不发生熔化的固相焊接技术，具有能量利用率高、焊接过程不产生有害气体、不产生废料等优点，并解决了传统熔焊易产生焊接缺陷、焊接接头强度低等缺点，其尤其适合用于焊接如铝合金、镁合金等硬度及熔点较低的金属。目前针对搅拌摩擦焊的研究主要集中在焊接工艺参数的优化设计、搅拌头设计、焊接过程中材料流动机理、产热机理，以及其对被焊材料组织和性能的影响等方面。本文利用实验和计算机模拟相结合的方式研究搅拌摩擦焊接过程中搅拌头向主轴方向的传热，设计制作隔热搅拌摩擦焊接搅拌头，减少焊接过程中搅拌头向主轴的传热，降低主轴温度，同时减少焊接时的热损耗，提高焊接热效率。
　　本文借助有限元数值模拟，设计了一种有利于减少传热的新型搅拌头结构，并采用等离子喷涂法对搅拌头夹持柄部位喷涂Y2O3稳定的ZrO2热障涂层减少其向主轴方向传热，分别使用常规搅拌头和本研究所设计的隔热搅拌头对5mm厚6061-T6铝合金板进行焊接实验，测量焊接过程中搅拌头、机床主轴以及焊接试板的温度场，研究隔热搅拌头的隔热效果并计算焊接热效率。
　　实验结果表明，在搅拌头旋转速度800r/min，焊接速度30mm/min的情况下，使用常规搅拌头焊接主轴外表面稳态温度最高为82.8℃，使用隔热搅拌头最高为43.1℃，温度降低显著，有限元数值模拟结果表明，在以上条件下，使用常规搅拌头焊接向主轴方向传热功率为88.4W，使用隔热搅拌头传热功率42.2W，传热量减少逾50％;在搅拌头旋转速度800r/min，焊接速度200mm/min的情况下，使用常规搅拌头焊接焊核区最高温度约430℃，使用隔热搅拌头焊核区最高温度约460℃，温度提升30℃左右，使用常规搅拌头向上传热功率84.8W，使用隔热搅拌头向上传热功率43.3W，此时常规搅拌头焊接热效率为92.2％，隔热搅拌头热效率为96.0％，热效率提升3.8％。
　　本文还通过有限元模拟对将隔热搅拌头设计用于钢材焊接时可能产生的效果做了初步探讨，模拟结果认为搅拌头隔热可使钢材搅拌摩擦焊主轴温度大幅下降，使其焊接热效率得到显著提升。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 搅拌摩擦焊技术简介

1．2 研究背景及意义

1．3 搅拌摩擦焊搅拌头研究现状

1．3．1 搅拌头轴肩的形状尺寸

1．3．2 搅拌针的形状尺寸

1．3．3 搅拌头材料

1．4 搅拌摩擦焊传热及温度场研究现状

1．5 本文研究的内容

第二章 搅拌摩擦焊温度场测量方法

2．1 搅拌摩擦焊接实验

2．1．1 搅拌摩擦焊接设备

2．1．2 搅拌头设计

2．1．3 焊接试板及焊接参数

2．2 搅拌头及主轴温度场测量

2．3 焊接试板温度测量

2．4 搅拌摩擦焊焊核区温度测量

2．4．1 测温原理

2．4．2 Ni90Cr10-6061铝合金相对塞贝克系数测量

2．4．3 Ni90Cr10-6061铝合金热电偶测温准确性验证

2．4．4 焊核区温度测量

2．4．5 焊核区温度测量方法总结

2．5 本章小结

第三章 搅拌摩擦焊温度场有限元数值模拟

3．1 有限元数值模拟技术简介

3．2 搅拌摩擦焊温度场数值模型

3．2．1 产热模型

3．2．2 传热模型

3．3 搅拌头及主轴稳态传热模拟

3．3．1 有限元数值建模

3．3．2 数值模型参数校准

3．4 焊接试板瞬态传热模拟

3．4．1 有限元数值建模

3．4．2 数值模型参数校准

3．5 本章小结

第四章 搅拌摩擦焊隔热搅拌头设计制造

4．1 隔热搅拌头设计思路

4．2 热障涂层简介

4．3 有限元数值模拟验证设计思路

4．4 隔热搅拌头设计

4．5 隔热搅拌头制造

4．5．1 隔热搅拌头制造流程

4．5．2 搅拌头热处理工艺

4．5．3 搅拌头机加工工序

4．5．4 热障涂层喷涂及外圆磨削

4．5．5 隔热搅拌头成品

4．6 本章小结

第五章 隔热搅拌头焊接实验分析

5．1 搅拌头及主轴温度场实验分析

5．1．1 搅拌头及主轴温度场稳态焊接实验

5．1．2 搅拌头及主轴温度场对比分析

5．2 搅拌摩擦焊焊核区温度实验分析

5．2．1 焊核区温度测量实验

5．2．2 焊核区温度对比分析

5．3 搅拌摩擦焊试板温度场实验分析

5．3．1 焊接试板温度测量

5．3．2 焊接试板温度对比分析

5．4 搅拌摩擦焊接热效率计算分析

5．4．1 搅拌头及主轴方向传热计算分析

5．4．2 焊接试板热输入功率计算分析

5．4．3 焊接热效率计算分析

5．5 将隔熟搅拌头设计用于钢材焊接的模拟

5．5．1 搅拌头及主轴稳态温度场模拟

5．5．2 焊接试板瞬态温度场模拟

5．5．3 焊接热效率计算分析

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文研究总结

6．2 未来研究展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢