攪拌頭（焊具）是攪拌摩擦焊接（FSW）設(shè)備中最重要的部件之一,直接決定著焊接過程中的產(chǎn)熱和材料流動,并最終影響焊縫微觀組織和接頭力學(xué)性能。通過優(yōu)化焊具幾何形狀來提高焊接效率和焊接質(zhì)量是目前對原有工藝改動最小、成本最低、且效果顯著的一種策略。然而,攪拌針幾何形狀的設(shè)計和加工制造目前仍依賴于試錯法,復(fù)雜形狀攪拌針對焊接過程中產(chǎn)熱傳熱和材料流動的作用機理還有待進一步探究。在本研究中,我們在工藝試驗的基礎(chǔ)上,對構(gòu)成復(fù)雜形狀攪拌針的兩種基本幾何特征（螺紋和平面）建立三維計算流體力學(xué)（CFD）模型,定量研究了 9種典型幾何形狀的攪拌針對FSW焊接熱過程和材料流動的影響機理。首先選取帶UP（無螺紋錐形攪拌針）、TP（錐形+右旋螺紋攪拌針）和LTP（錐形+左旋螺紋攪拌針）三種攪拌針的攪拌頭,開展了 6061-T6鋁合金的攪拌摩擦焊接工藝試驗研究。拉伸試驗結(jié)果表明,使用TP攪拌針可以有效提高焊接接頭的抗拉強度和斷后延伸率;在低熱輸入的焊接參數(shù)條件下螺紋的作用效果尤為顯著。通過攪拌頭急停將標(biāo)記材料在匙孔周圍的分布“冷凍”下來,借助CT技術(shù)對標(biāo)記材料的分布進行了三維重建。結(jié)果表明,螺紋可以有效提高標(biāo)記材料分... 

【文章來源】：山東大學(xué)山東省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：230 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
ABSTRACT
主要符號表
第1章 前言
    1.1 選題意義
    1.2 攪拌摩擦焊接過程中的關(guān)鍵物理狀態(tài)
        1.2.1 FSW及其改型工藝簡介
        1.2.2 FSW過程中的關(guān)鍵物理狀態(tài)
    1.3 攪拌頭幾何特征及其對焊接質(zhì)量的影響
        1.3.1 軸肩
        1.3.2 攪拌針
    1.4 攪拌摩擦焊接過程的數(shù)值模擬
        1.4.1 數(shù)值模型發(fā)展現(xiàn)狀
        1.4.2 復(fù)雜形狀攪拌針的FSW數(shù)學(xué)模型
    1.5 存在問題及本文主要工作
第2章 攪拌針螺紋對接頭性能和材料流動影響的試驗研究
    2.1 試驗材料與試驗方法
        2.1.1 試驗材料
        2.1.2 試驗方法
    2.2 攪拌針有無螺紋時的接頭拉伸性能
    2.3 攪拌針有無螺紋時的材料流動
    2.4 本章小結(jié)
第3章 攪拌針帶螺紋時的FSW過程建模
    3.1 無螺紋錐形攪拌針的FSW模型
        3.1.1 簡化和假設(shè)
        3.1.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分
        3.1.3 控制方程組
        3.1.4 材料物性參數(shù)
        3.1.5 速度邊界條件的確定
        3.1.6 產(chǎn)熱模型
        3.1.7 滑移率的確定
        3.1.8 摩擦系數(shù)的確定
        3.1.9 求解算法及過程
        3.1.10 結(jié)果與討論
    3.2 考慮攪拌針螺紋時FSW過程建模的總體思路
    3.3 螺紋特征的建模
        3.3.1 螺旋傳動的種類和特點
        3.3.2 攪拌針表面螺紋對材料的驅(qū)動作用
        3.3.3 螺紋對焊接過程中產(chǎn)熱的影響
    3.4 螺紋參數(shù)的變化對材料流動和產(chǎn)熱的影響
        3.4.1 攪拌針螺紋螺距
        3.4.2 攪拌針螺紋旋向
        3.4.3 攪拌針螺紋頭數(shù)
    3.5 本章小結(jié)
第4章 考慮螺紋時FSW過程參量的數(shù)值分析結(jié)果與實驗驗證
    4.1 攪拌針螺紋對塑性材料流動的影響
        4.1.1 流線圖
        4.1.2 矢量圖
        4.1.3 材料流動速度場
        4.1.4 應(yīng)變分布
    4.2 螺紋對產(chǎn)熱傳熱的影響
        4.2.1 接觸界面產(chǎn)熱
        4.2.2 剪切層內(nèi)粘性耗散產(chǎn)熱
        4.2.3 溫度分布
    4.3 螺距的影響
        4.3.1 螺距對材料流動的影響
        4.3.2 螺距對焊接熱過程的影響
    4.4 螺紋旋向的影響
    4.5 螺紋頭數(shù)的影響
    4.6 模擬結(jié)果的驗證
    4.7 本章小結(jié)
第5章 帶“平面+螺紋”攪拌針對FSW過程參量的影響
    5.1 帶“平面+螺紋”的攪拌針
    5.2 攪拌針“平面”和“螺紋”特征的處理和描述
        5.2.1 平面特征的作用
        5.2.2 螺紋特征的作用
        5.2.3 “平面+螺紋”特征攪拌針的綜合作用效果
    5.3 結(jié)果與討論
        5.3.1 材料流動
        5.3.2 應(yīng)變和應(yīng)變速率
        5.3.3 產(chǎn)熱傳熱
    5.4 本章小結(jié)
第6章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻
致謝
攻讀博士學(xué)位期間已發(fā)表和撰寫的論文
攻讀博士學(xué)位期間參與的科研項目
攻讀博士學(xué)位期間的獲獎情況
附件
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【參考文獻】：
期刊論文
[1]攪拌針錐度和螺紋頭數(shù)對厚板鋁合金FSW焊縫金屬遷移的影響[J]. 趙藝達,柯黎明,劉奮成,毛育青.  焊接學(xué)報. 2016(10)
[2]靜止軸肩攪拌摩擦焊的研究進展[J]. 劉會杰,李金全,段衛(wèi)軍.  焊接學(xué)報. 2012(05)
[3]攪拌針表面螺紋頭數(shù)與軸肩下壓量對金屬軸向遷移的影響[J]. 王曉東,柯黎明,邢麗,楊成剛.  中國有色金屬學(xué)報. 2010(01)
[4]攪拌針形狀對攪拌摩擦焊焊縫截面形貌的影響[J]. 柯黎明,潘際鑾,邢麗,王善林.  焊接學(xué)報. 2007(05)
[5]特種螺旋傳動機構(gòu)的研究[J]. 梁錫昌,蔣建東,李潤方,陳小安.  機械工程學(xué)報. 2003(10)
[6]攪拌摩擦焊研究進展及前景展望[J]. 張華,林三寶,吳林,馮吉才,欒國紅.  焊接學(xué)報. 2003(03)

博士論文
[1]超聲振動強化攪拌摩擦焊接熱過程及材料流動的數(shù)值分析[D]. 石磊.山東大學(xué) 2016
[2]攪拌針截面形狀對攪拌摩擦焊接熱過程和塑性材料流動的影響[D]. 宿浩.山東大學(xué) 2015



本文編號：3207648