本文選題：旋轉(zhuǎn)摩擦焊　切入點(diǎn)：界面產(chǎn)熱機(jī)制　出處：《西北工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：旋轉(zhuǎn)摩擦焊具有高品質(zhì)、高效與節(jié)能的突出優(yōu)點(diǎn),但該技術(shù)一直未能很好地應(yīng)用于航空航天等高技術(shù)領(lǐng)域關(guān)鍵構(gòu)件的制造,其根本原因是缺少系統(tǒng)工藝?yán)碚?從而指導(dǎo)形成可信的規(guī)范帶和工藝選取原則。但是,旋轉(zhuǎn)摩擦焊工藝?yán)碚摰慕?離不開對(duì)接頭界面產(chǎn)熱機(jī)制、溫度場(chǎng)及接頭成形機(jī)制的深入理解和認(rèn)識(shí)。本文以旋轉(zhuǎn)摩擦焊實(shí)驗(yàn)研究為主要手段,從摩擦界面產(chǎn)熱是“阻抗做功耗散為熱”的物理本質(zhì)出發(fā),提取特征參量,表征扭矩(阻抗)和界面溫度場(chǎng)演變規(guī)律,獲得塑性環(huán)生長(zhǎng)規(guī)律,并建立相應(yīng)數(shù)理模型,從而揭示界面摩擦產(chǎn)熱行為和機(jī)制。最后,運(yùn)用上述理論對(duì)比研究典型同質(zhì)和異質(zhì)組配接頭的成形特征。主要研究?jī)?nèi)容及成果如下:首先,通過(guò)對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊第一階段產(chǎn)熱和溫度場(chǎng)演變基本規(guī)律的實(shí)驗(yàn)研究,系統(tǒng)揭示了摩擦扭矩和表面溫度平臺(tái)現(xiàn)象及其背后的產(chǎn)熱物理機(jī)制。扭矩平臺(tái)表明界面總阻抗沒(méi)有發(fā)生變化,對(duì)應(yīng)的產(chǎn)熱機(jī)制為滑動(dòng)摩擦,服從阿芒頓 庫(kù)侖摩擦定律。溫度平臺(tái)的出現(xiàn)表明界面產(chǎn)熱和耗熱達(dá)到了一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡,其中,滑動(dòng)摩擦做功對(duì)應(yīng)于較低的溫度平臺(tái),而粘著摩擦產(chǎn)熱的熱強(qiáng)對(duì)應(yīng)于較高的溫度平臺(tái)。兩種產(chǎn)熱機(jī)制的作用時(shí)空特點(diǎn)為,滑動(dòng)發(fā)生在摩擦初期,并從界面外緣到中心順序經(jīng)歷,以較低的扭矩、溫度平臺(tái)為典型特征;而粘著則是從1/2R附近的某一環(huán)狀區(qū)域開動(dòng),之后向里、向外生長(zhǎng),粘著區(qū)域面積不斷擴(kuò)大,該過(guò)程以急劇上升的扭矩為典型特征。其次,采用在焊接過(guò)程中不同時(shí)刻中斷焊接并水冷保留焊態(tài)組織的手段,研究得出了塑性環(huán)萌生位置在1/3R和2/3R之間,大多落在1/2R附近。接頭內(nèi)部溫度場(chǎng)的演變規(guī)律表明,界面塑性環(huán)區(qū)域正是摩擦焊界面產(chǎn)熱最為集中的位置。塑性環(huán)在寬度尺寸上的長(zhǎng)大速度要遠(yuǎn)高于在高度方向上的長(zhǎng)大速度。在壓力超過(guò)臨界壓力之后,塑性環(huán)的形核時(shí)間可以近似忽略,第一階段主要是塑性環(huán)的長(zhǎng)大。進(jìn)一步結(jié)合焊縫區(qū)微觀組織的演變特性,提出并應(yīng)用“溫度 應(yīng)變速率”的熱力耦合雙因素法對(duì)20#低碳鋼接頭組織區(qū)域進(jìn)行了劃分。焊核區(qū)金屬高溫持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),奧氏體化后隨溫度升高發(fā)生了晶�？焖匍L(zhǎng)大,而隨后的冷卻過(guò)程中先共析鐵素體呈針狀或片狀,沿一定晶面向奧氏體晶內(nèi)析出,形成了魏氏組織。核區(qū)不同時(shí)刻微觀組織的EBSD研究表明,在第一階段,塑性環(huán)內(nèi)金屬已經(jīng)發(fā)生了充分的再結(jié)晶,但隨著焊接過(guò)程的繼續(xù),發(fā)生長(zhǎng)大的再結(jié)晶晶粒在熱力耦合作用下再次發(fā)生變形、晶界遷移等行為,導(dǎo)致最終獲得的組織呈現(xiàn)出不完全動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的亞晶組織特征。再次,基于前面產(chǎn)熱和溫度場(chǎng)演變規(guī)律實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果,提出了產(chǎn)熱功率的線性化假設(shè),從而建立了第一階段溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)解析模型。結(jié)合非線性非平衡熱力學(xué)最大熵產(chǎn)生原理,獲得了第一階段摩擦產(chǎn)熱機(jī)制發(fā)生轉(zhuǎn)變的判據(jù),進(jìn)一步獲得了第一階段溫度場(chǎng)的定解條件。確定了第一階段界面塑性環(huán)長(zhǎng)大的物理模型,并基于產(chǎn)熱與耗熱的能量守恒原理,獲得了塑性環(huán)長(zhǎng)大速率的數(shù)學(xué)解析模型,利用該數(shù)學(xué)模型計(jì)算的塑性環(huán)長(zhǎng)滿界面所需的時(shí)間和實(shí)驗(yàn)值吻合良好,證明了模型的準(zhǔn)確性�？梢詫⑺苄原h(huán)長(zhǎng)滿界面作為接頭成形的臨界必要條件,進(jìn)而以此為目標(biāo)確定優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。最后,針對(duì)旋轉(zhuǎn)摩擦焊典型產(chǎn)熱及溫度場(chǎng)條件下的接頭成形,分別從同質(zhì)和異質(zhì)材料組配兩方面,考察了接頭熱流模式對(duì)于力學(xué)性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了45#碳鋼同質(zhì)接頭熱流模式和力學(xué)性能之間的唯象關(guān)系模型,并提出了以綜合因子為目標(biāo)參量的熱流模式優(yōu)化準(zhǔn)則。旋轉(zhuǎn)摩擦焊產(chǎn)熱及溫度場(chǎng)在界面徑向上的不均勻分布導(dǎo)致Fe/Ti異質(zhì)組配接頭截面呈現(xiàn)彎曲弧形熱流模式,但其特殊的熱力耦合作用,使得Fe/Ti直接連接接頭界面無(wú)法避免的Fe Ti脆性金屬間化合物尺寸降低并呈現(xiàn)彌散分布,強(qiáng)化了接頭的力學(xué)性能。通過(guò)和擴(kuò)散焊方法的對(duì)比研究表明,即便采用復(fù)雜的工藝和中間層設(shè)計(jì),擴(kuò)散焊接頭強(qiáng)度依然遠(yuǎn)不及旋轉(zhuǎn)摩擦焊直接連接接頭的強(qiáng)度,表明旋轉(zhuǎn)摩擦焊獨(dú)特的熱力耦合產(chǎn)熱是此類異質(zhì)組配接頭高效與高強(qiáng)連接的本質(zhì)原因。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：西北工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG453.9

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1564311