【摘要】：攪拌摩擦焊接(FSW)作為一種固相焊接工藝,為了產(chǎn)生足夠的熱量,在焊接時(shí)需要施加很大的軸向下壓力,造成焊接載荷(包括軸向壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩及前進(jìn)阻力)大、裝夾要求嚴(yán)、焊接速度低和攪拌頭易磨損斷裂等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題,研發(fā)了一種在攪拌頭前方待焊工件上施加超聲振動(dòng)能量的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接(JVeFSW)新工藝。研究表明在攪拌摩擦焊接過(guò)程中施加超聲振動(dòng)能量能夠減少材料塑性變形所需的熱量,達(dá)到改善焊接質(zhì)量、降低焊接載荷并提高焊接速度的工藝效果。然而,超聲振動(dòng)對(duì)FSW焊接熱過(guò)程和塑性材料流動(dòng)的影響機(jī)理仍未闡明。建立UVeFSW焊接過(guò)程的數(shù)理模型,分析施加超聲對(duì)焊接熱過(guò)程和塑性材料流動(dòng)的影響,對(duì)于揭示VeFSW焊接工藝機(jī)理,闡明施加超聲振動(dòng)能量改變塑性材料屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力的物理機(jī)制,實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化與匹配,對(duì)于豐富FSW焊接工藝?yán)碚?實(shí)現(xiàn)超聲能量在攪拌摩擦焊接過(guò)程中的有效利用,具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。為了深入理解UVeFSW的焊接物理機(jī)制,首先針對(duì)FSW焊接下壓、停留和焊接的全過(guò)程建立熱流耦合模型,采用Fluent軟件的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù),基于鋪層算法實(shí)現(xiàn)了攪拌頭下壓過(guò)程的熱流耦合模擬,分析了不同階段的產(chǎn)熱、溫度分布、塑性材料流動(dòng)和焊接力矩的變化規(guī)律。隨后,基于超聲軟化的宏觀現(xiàn)象,引入聲軟化百分?jǐn)?shù),建立了UVeFSW焊接過(guò)程的唯象模型,模型考慮了超聲的軟化作用和熱作用,定量分析了UVeFSW焊接過(guò)程中攪拌頭附近的傳熱及材料流動(dòng)情況,并對(duì)比分析了施加超聲振動(dòng)的UVeFSW和常規(guī)FSW焊接時(shí)的產(chǎn)熱、傳熱和材料流動(dòng)情況。結(jié)果表明,施加超聲振動(dòng)時(shí)攪拌頭與工件接觸界面的產(chǎn)熱稍有下降；同時(shí),施加超聲振動(dòng)后攪拌頭附近材料粘度降低,材料流動(dòng)性增強(qiáng),塑性材料流動(dòng)范圍增大。但超聲軟化作用增大了產(chǎn)熱區(qū)域,同時(shí)超聲的熱作用提供了部分產(chǎn)熱,抵消了軟化作用導(dǎo)致的產(chǎn)熱下降,總體上施加超聲振動(dòng)對(duì)FSW焊接溫度場(chǎng)和熱循環(huán)曲線影響不大。UVeFSW和常規(guī)FSW焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和熱循環(huán)基本一樣�；谖诲e(cuò)熱激活理論,分析了超聲振動(dòng)對(duì)塑性變形材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響,進(jìn)而修正了Sheppard-Wright粘塑性本構(gòu)關(guān)系,建立了考慮超聲軟化效應(yīng)的粘塑性本構(gòu)模型,并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定。修正的本構(gòu)模型描述了超聲軟化作用與超聲能量密度、材料特性和過(guò)程參量(溫度,應(yīng)變速率)之間的定量關(guān)系。施加超聲振動(dòng)能量降低了材料的塑性變形激活能,使得材料更容易發(fā)生塑性變形,從而降低了屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用修正的考慮超聲軟化效應(yīng)的材料本構(gòu)關(guān)系,建立了耦合超聲能場(chǎng)的UVeFSW數(shù)值分析模型。分析了UVeFSW焊接過(guò)程中超聲聲壓的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、聲場(chǎng)能量分布、焊接產(chǎn)熱、傳熱和塑性材料流動(dòng)情況。定量分析了超聲聲壓/聲場(chǎng)能量分布與UVeFSW焊接時(shí)熱流密度、溫度場(chǎng)和材料流場(chǎng)之間的相互作用規(guī)律,初步揭示了超聲振動(dòng)改善焊接接頭組織與性能的物理機(jī)制。開(kāi)展了相應(yīng)的工藝實(shí)驗(yàn),獲得了焊縫橫斷面、焊接力矩和典型位置熱循環(huán)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好。通過(guò)UVeFSW耦合模型對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)分析,結(jié)果表明攪拌頭前方的強(qiáng)超聲能量與塑性變形材料相互作用,預(yù)軟化了材料,降低了塑性變形產(chǎn)熱率,提高了攪拌頭附近材料的塑性流動(dòng)性,使得攪拌區(qū)擴(kuò)大,材料流動(dòng)速度增加。但施加超聲對(duì)溫度場(chǎng)和熱循環(huán)影響不大,這是因?yàn)殡m然塑性變形產(chǎn)熱率降低,但塑性變形區(qū)增大,所以塑性變形功產(chǎn)熱變化不大。另外,對(duì)UVeFSW耦合模型的計(jì)算結(jié)果與唯象模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算聲場(chǎng),并采用基于熱激活理論修正的材料本構(gòu)關(guān)系能夠提高UVeFS W模型的預(yù)測(cè)精度。
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【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類(lèi)號(hào)】：TG453.9
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本文編號(hào)：2415501