鋁合金攪拌摩擦焊焊接缺陷預(yù)測方法及組織性能研究
發(fā)布時間：2021-02-07 04:36
攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)被廣泛應(yīng)用于鋁合金焊接中,其具有接頭強度高、殘余應(yīng)力低、焊接變形小等特點,但仍然存在內(nèi)部缺陷難以預(yù)測、工藝參數(shù)試驗周期長、接頭組織性能不均勻等問題。本文以軌道車輛用7N01鋁合金作為研究對象,采用熱-流耦合模擬與試驗相結(jié)合的方式,開展了攪拌摩擦焊焊接缺陷預(yù)測方法以及接頭組織性能研究。本文主要研究內(nèi)容包括:7N01鋁合金性能與本構(gòu)關(guān)系測試。298 K～773K拉伸試驗表明材料表現(xiàn)出明顯的溫升軟化現(xiàn)象;通過等溫熱壓縮試驗測試發(fā)現(xiàn)材料具有穩(wěn)態(tài)流變特征和動態(tài)軟化趨勢,獲得了含Z參數(shù)的材料高溫流變應(yīng)力本構(gòu)關(guān)系;熱物理性能測試結(jié)果表明在573 K時材料比熱及熱導率達到最大值。材料的性能測試結(jié)果和本構(gòu)關(guān)系方程是開展FSW熱-流耦合分析的基礎(chǔ)。缺陷預(yù)測方法與工藝窗口制訂。建立了攪拌摩擦焊接過程熱-流耦合模型,通過熱電偶測溫對焊接溫度,以及微弧氧化層標記材料嵌入技術(shù)對材料遷移行為分別進行了模型有效性驗證;分析了焊接工藝參數(shù)對溫度場、速度場和材料遷移行為的影響;基于接頭在厚度方向上高溫區(qū)域面積和旋轉(zhuǎn)粒子數(shù)目的特征,闡明了孔洞型缺陷形成條件并建立了缺陷預(yù)測方法,進一步制訂了7N01鋁...
【文章來源】：北京交通大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1. 緒論
1.1 課題背景及意義
1.2 攪拌摩擦焊接過程
1.3 攪拌摩擦焊過程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀
1.4 攪拌摩擦焊材料遷移行為與缺陷成因研究現(xiàn)狀
1.4.1 攪拌摩擦焊接的材料遷移行為
1.4.2 攪拌摩擦焊的材料的遷移機制
1.4.3 攪拌摩擦焊接孔洞型缺陷成因
1.5 攪拌摩擦焊微觀組織與接頭性能研究現(xiàn)狀
1.5.1 FSW接頭的動態(tài)再結(jié)晶行為
1.5.2 FSW接頭的力學性能
1.5.3 7xxx鋁合金厚板攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀
1.6 論文的主要研究內(nèi)容
2. 試驗材料及測試方法
2.1 試驗材料
2.2 7N01鋁合金的熱物理性能
2.3 7N01鋁合金的力學性能
2.4 7N01鋁合金的高溫流變應(yīng)力
2.4.1 材料等溫熱壓縮試驗
2.4.2 7N01鋁合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線
2.4.3 變形溫度對7N01鋁合金流變應(yīng)力的影響
2.4.4 應(yīng)變速率對7N01鋁合金流變應(yīng)力的影響
2.5 7N01鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程的建立
2.5.1 7N01鋁合金本構(gòu)模型的選取
2.5.2 本構(gòu)模型參數(shù)求解
2.6 試驗測試方法及設(shè)備
2.6.1 焊接設(shè)備
2.6.2 標記嵌入試驗及檢測方法
2.6.3 金相分析方法
2.6.4 電子背散射衍射（EBSD）分析方法
2.6.5 透射電鏡（TEM）方法
2.6.6 拉伸性能測試方法
2.6.7 顯微硬度測試方法
2.7 本章小結(jié)
3. FSW過程的熱-流耦合數(shù)值模擬
3.1 基本假設(shè)
3.2 控制方程
3.3 幾何模型與網(wǎng)格劃分
3.3.1 幾何模型
3.3.2 網(wǎng)格劃分
3.4 材料粘度
3.5 邊界條件
3.5.1 產(chǎn)熱模型
3.5.2 速度邊界條件
3.5.3 熱邊界條件
3.6 數(shù)值算法
3.7 模型驗證
3.7.1 溫度場驗證
3.7.2 材料遷移驗證
3.8 工藝參數(shù)對溫度場和速度場的影響
3.8.1 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下溫度場與速度場模擬結(jié)果
3.8.2 不同焊接速度下溫度場與速度場模擬結(jié)果
3.9 本章小結(jié)
4. FSW材料遷移行為與孔洞型缺陷預(yù)測方法
4.1 FSW材料遷移行為
4.2 孔洞型缺陷預(yù)測方法
4.2.1 攪拌頭周圍塑性區(qū)
4.2.2 焊接溫度對孔洞型缺陷的影響
4.2.3 材料遷移對孔洞型缺陷的影響
4.3 驗證試驗
4.4 無缺陷的焊接工藝窗口
4.5 本章小結(jié)
5. FSW接頭沿厚度方向上的組織與性能
5.1 焊接試驗與模擬
5.2 接頭宏觀形貌與微觀組織
5.2.1 接頭宏觀形貌
5.2.2 接頭微觀組織
5.2.3 晶粒及晶界取向
5.2.4 第二相粒子
5.3 沿厚度方向上的接頭力學性能
5.3.1 顯微硬度
5.3.2 分層拉伸試驗分析
5.3.3 沿厚度方向上的應(yīng)變硬化行為
5.3.4 拉伸斷口
5.4 沿厚度方向上組織與性能的變化規(guī)律
5.4.1 接頭微觀組織的變化規(guī)律
5.4.2 接頭力學性能的變化規(guī)律
5.5 本章小結(jié)
6. 結(jié)論與展望
6.1 本文主要工作及結(jié)論
6.2 主要創(chuàng)新點
6.3 展望
參考文獻
附錄A
附錄B
作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果
學位論文數(shù)據(jù)集
【參考文獻】：
期刊論文
[1]2219鋁合金不同氣氛下TIG焊焊接接頭組織性能[J]. 周政,王國慶,宋建嶺,趙紅星,楊春利. 焊接學報. 2018(07)
[2]鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫疏松缺陷形成機理[J]. 毛育青,柯黎明,劉奮成,陳玉華. 航空學報. 2017(03)
[3]攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道車輛鋁合金車體制造中的應(yīng)用與展望[J]. 韓曉輝,陶傳琦,張鐵浩,王新. 現(xiàn)代焊接. 2016(06)
[4]攪拌摩擦焊新技術(shù)在鋁合金鐵路貨車開發(fā)上的應(yīng)用展望[J]. 許永輝,于躍斌. 鐵道車輛. 2015(12)
[5]7075鋁合金變極性等離子弧焊接頭組織與性能[J]. 李國偉,韓永全,陳芙蓉,李陽. 焊接學報. 2015(10)
[6]攪拌摩擦焊AA7075-T651鋁合金厚板的顯微組織和力學性能（英文）[J]. T.SRINIVASA RAO,G.MADHUSUDHAN REDDY,S.R.KOTESWARA RAO. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(06)
[7]動車組鋁合金車體材料的發(fā)展與選型分析[J]. 何廣忠,劉長青. 焊接. 2015(01)
[8]厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能沿厚度方向的變化規(guī)律[J]. 高輝,董繼紅,張坤,欒國紅. 焊接學報. 2014(08)
[9]Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6Al4V alloy[J]. Shude JI 1) , Aili ZOU 1) , Yumei YUE 1) , Guohong LUAN 2) , Yanye JIN 1) and Fu LI 1) 1) Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China 2) Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2012(05)
[10]5A06鋁合金厚板攪拌摩擦焊工藝研究[J]. 李寶華,唐眾民,鄢江武,陳瑩. 熱加工工藝. 2011(11)
博士論文
[1]鎂/鋼無匙孔攪拌摩擦點焊工藝設(shè)備及接頭結(jié)合機理研究[D]. 劉驍.蘭州理工大學 2017
[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 2015
[3]7085鋁合金熱加工力學行為及微觀組織演變規(guī)律研究[D]. 劉文義.重慶大學 2014
[4]變形和熱處理對Al-Zn-Mg-Cu系超強鋁合金組織和性能的影響[D]. 彭國勝.中南大學 2012
碩士論文
[1]6082鋁合金激光填絲焊焊接特性研究[D]. 馮時.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]軌道客車常用鋁合金5083、6082 MIG焊接工藝研究[D]. 喬建毅.吉林大學 2017
[3]2A12厚板鋁合金電子束焊接接頭組織及工藝研究[D]. 顧華.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[4]A7N01鋁合金焊接熱模擬及微區(qū)腐蝕性能研究[D]. 章淑芳.西南交通大學 2016
[5]LD10鋁合金摩擦塞補焊工藝研究[D]. 張加濤.哈爾濱工業(yè)大學 2013
[6]攪拌頭形狀與工藝參數(shù)對塑性金屬遷移行為的影響[D]. 李寶華.南昌航空大學 2008
[7]7NO1鋁合金高溫變形行為研究[D]. 劉杰.湖南大學 2008
本文編號：3021664
【文章來源】：北京交通大學北京市 211工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：130 頁
【學位級別】：博士
【文章目錄】：
致謝
摘要
ABSTRACT
1. 緒論
1.1 課題背景及意義
1.2 攪拌摩擦焊接過程
1.3 攪拌摩擦焊過程的數(shù)值模擬研究現(xiàn)狀
1.4 攪拌摩擦焊材料遷移行為與缺陷成因研究現(xiàn)狀
1.4.1 攪拌摩擦焊接的材料遷移行為
1.4.2 攪拌摩擦焊的材料的遷移機制
1.4.3 攪拌摩擦焊接孔洞型缺陷成因
1.5 攪拌摩擦焊微觀組織與接頭性能研究現(xiàn)狀
1.5.1 FSW接頭的動態(tài)再結(jié)晶行為
1.5.2 FSW接頭的力學性能
1.5.3 7xxx鋁合金厚板攪拌摩擦焊研究現(xiàn)狀
1.6 論文的主要研究內(nèi)容
2. 試驗材料及測試方法
2.1 試驗材料
2.2 7N01鋁合金的熱物理性能
2.3 7N01鋁合金的力學性能
2.4 7N01鋁合金的高溫流變應(yīng)力
2.4.1 材料等溫熱壓縮試驗
2.4.2 7N01鋁合金真應(yīng)力-真應(yīng)變曲線
2.4.3 變形溫度對7N01鋁合金流變應(yīng)力的影響
2.4.4 應(yīng)變速率對7N01鋁合金流變應(yīng)力的影響
2.5 7N01鋁合金流變應(yīng)力本構(gòu)方程的建立
2.5.1 7N01鋁合金本構(gòu)模型的選取
2.5.2 本構(gòu)模型參數(shù)求解
2.6 試驗測試方法及設(shè)備
2.6.1 焊接設(shè)備
2.6.2 標記嵌入試驗及檢測方法
2.6.3 金相分析方法
2.6.4 電子背散射衍射（EBSD）分析方法
2.6.5 透射電鏡（TEM）方法
2.6.6 拉伸性能測試方法
2.6.7 顯微硬度測試方法
2.7 本章小結(jié)
3. FSW過程的熱-流耦合數(shù)值模擬
3.1 基本假設(shè)
3.2 控制方程
3.3 幾何模型與網(wǎng)格劃分
3.3.1 幾何模型
3.3.2 網(wǎng)格劃分
3.4 材料粘度
3.5 邊界條件
3.5.1 產(chǎn)熱模型
3.5.2 速度邊界條件
3.5.3 熱邊界條件
3.6 數(shù)值算法
3.7 模型驗證
3.7.1 溫度場驗證
3.7.2 材料遷移驗證
3.8 工藝參數(shù)對溫度場和速度場的影響
3.8.1 不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下溫度場與速度場模擬結(jié)果
3.8.2 不同焊接速度下溫度場與速度場模擬結(jié)果
3.9 本章小結(jié)
4. FSW材料遷移行為與孔洞型缺陷預(yù)測方法
4.1 FSW材料遷移行為
4.2 孔洞型缺陷預(yù)測方法
4.2.1 攪拌頭周圍塑性區(qū)
4.2.2 焊接溫度對孔洞型缺陷的影響
4.2.3 材料遷移對孔洞型缺陷的影響
4.3 驗證試驗
4.4 無缺陷的焊接工藝窗口
4.5 本章小結(jié)
5. FSW接頭沿厚度方向上的組織與性能
5.1 焊接試驗與模擬
5.2 接頭宏觀形貌與微觀組織
5.2.1 接頭宏觀形貌
5.2.2 接頭微觀組織
5.2.3 晶粒及晶界取向
5.2.4 第二相粒子
5.3 沿厚度方向上的接頭力學性能
5.3.1 顯微硬度
5.3.2 分層拉伸試驗分析
5.3.3 沿厚度方向上的應(yīng)變硬化行為
5.3.4 拉伸斷口
5.4 沿厚度方向上組織與性能的變化規(guī)律
5.4.1 接頭微觀組織的變化規(guī)律
5.4.2 接頭力學性能的變化規(guī)律
5.5 本章小結(jié)
6. 結(jié)論與展望
6.1 本文主要工作及結(jié)論
6.2 主要創(chuàng)新點
6.3 展望
參考文獻
附錄A
附錄B
作者簡歷及攻讀博士學位期間取得的研究成果
學位論文數(shù)據(jù)集
【參考文獻】：
期刊論文
[1]2219鋁合金不同氣氛下TIG焊焊接接頭組織性能[J]. 周政,王國慶,宋建嶺,趙紅星,楊春利. 焊接學報. 2018(07)
[2]鋁合金厚板攪拌摩擦焊焊縫疏松缺陷形成機理[J]. 毛育青,柯黎明,劉奮成,陳玉華. 航空學報. 2017(03)
[3]攪拌摩擦焊技術(shù)在軌道車輛鋁合金車體制造中的應(yīng)用與展望[J]. 韓曉輝,陶傳琦,張鐵浩,王新. 現(xiàn)代焊接. 2016(06)
[4]攪拌摩擦焊新技術(shù)在鋁合金鐵路貨車開發(fā)上的應(yīng)用展望[J]. 許永輝,于躍斌. 鐵道車輛. 2015(12)
[5]7075鋁合金變極性等離子弧焊接頭組織與性能[J]. 李國偉,韓永全,陳芙蓉,李陽. 焊接學報. 2015(10)
[6]攪拌摩擦焊AA7075-T651鋁合金厚板的顯微組織和力學性能（英文）[J]. T.SRINIVASA RAO,G.MADHUSUDHAN REDDY,S.R.KOTESWARA RAO. Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2015(06)
[7]動車組鋁合金車體材料的發(fā)展與選型分析[J]. 何廣忠,劉長青. 焊接. 2015(01)
[8]厚板鋁合金攪拌摩擦焊接頭組織及性能沿厚度方向的變化規(guī)律[J]. 高輝,董繼紅,張坤,欒國紅. 焊接學報. 2014(08)
[9]Numerical simulation of effect of rotational tool with screw on material flow behavior of friction stir welding of Ti6Al4V alloy[J]. Shude JI 1) , Aili ZOU 1) , Yumei YUE 1) , Guohong LUAN 2) , Yanye JIN 1) and Fu LI 1) 1) Faculty of Aerospace Engineering, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China 2) Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute, Beijing 100024, China. Acta Metallurgica Sinica（English Letters）. 2012(05)
[10]5A06鋁合金厚板攪拌摩擦焊工藝研究[J]. 李寶華,唐眾民,鄢江武,陳瑩. 熱加工工藝. 2011(11)
博士論文
[1]鎂/鋼無匙孔攪拌摩擦點焊工藝設(shè)備及接頭結(jié)合機理研究[D]. 劉驍.蘭州理工大學 2017
[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 2015
[3]7085鋁合金熱加工力學行為及微觀組織演變規(guī)律研究[D]. 劉文義.重慶大學 2014
[4]變形和熱處理對Al-Zn-Mg-Cu系超強鋁合金組織和性能的影響[D]. 彭國勝.中南大學 2012
碩士論文
[1]6082鋁合金激光填絲焊焊接特性研究[D]. 馮時.哈爾濱工業(yè)大學 2018
[2]軌道客車常用鋁合金5083、6082 MIG焊接工藝研究[D]. 喬建毅.吉林大學 2017
[3]2A12厚板鋁合金電子束焊接接頭組織及工藝研究[D]. 顧華.哈爾濱工業(yè)大學 2017
[4]A7N01鋁合金焊接熱模擬及微區(qū)腐蝕性能研究[D]. 章淑芳.西南交通大學 2016
[5]LD10鋁合金摩擦塞補焊工藝研究[D]. 張加濤.哈爾濱工業(yè)大學 2013
[6]攪拌頭形狀與工藝參數(shù)對塑性金屬遷移行為的影響[D]. 李寶華.南昌航空大學 2008
[7]7NO1鋁合金高溫變形行為研究[D]. 劉杰.湖南大學 2008
本文編號：3021664
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