本文選題：非對(duì)稱回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊 + 有限元數(shù)值模擬�。� 參考：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文

【摘要】：7B04超高強(qiáng)鋁合金由于其優(yōu)異的力學(xué)性能,在航空航天領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。為了防止其在服役過程中發(fā)生腐蝕,通常在板材表面覆有一層純鋁組成的包覆鋁層;回填式攪拌摩擦點(diǎn)焊(FSSW)作為一種新型固相點(diǎn)焊技術(shù),可有效消除常規(guī)FSSW接頭存在的匙孔,從而提高接頭的承載能力。對(duì)于帶有包覆鋁的7B04鋁合金回填式FSSW,當(dāng)焊接熱輸入較小時(shí),材料熱膨脹體積的增加無法彌補(bǔ)材料溢出所造成的體積損失,從而導(dǎo)致接頭產(chǎn)生環(huán)溝槽及孔洞缺陷。提高焊接熱輸入又會(huì)造成攪拌區(qū)(SZ)內(nèi)的包覆鋁帶進(jìn)入接頭承載時(shí)的高應(yīng)力區(qū),從而成為接頭失效的裂紋源。針對(duì)以上問題,本文提出非對(duì)稱回填式FSSW新工藝,通過提高焊接回填階段攪拌針的下扎速率來彌補(bǔ)材料的體積損失,從而實(shí)現(xiàn)在較小的焊接熱輸入下獲得無焊接缺陷的回填式FSSW接頭,最終達(dá)到提高接頭力學(xué)性能的目的。研究了焊接溫度場(chǎng)、流場(chǎng)及材料的變形行為,建立了非對(duì)稱回填式FSSW三維熱力耦合有限元模型,采用數(shù)值模擬的方法對(duì)焊接過程進(jìn)行了揭示。結(jié)果表明,非對(duì)稱回填式FSSW的溫度場(chǎng)關(guān)于焊點(diǎn)中軸線呈中心對(duì)稱。焊接過程中SZ在厚度方向上存在較大的溫度梯度,最高溫度超過沉淀相的固溶溫度,在較大的扎入深度、較高的轉(zhuǎn)速及較小的運(yùn)動(dòng)速率下,SZ最高溫度超過材料的固相線溫度。熱機(jī)影響區(qū)(TMAZ)最高溫度超過沉淀相的固溶溫度而低于材料的固相線溫度。熱影響區(qū)(HAZ)的最高溫度超過沉淀相的粗化溫度而低于其固溶溫度。被焊材料在焊具的驅(qū)動(dòng)下圍繞焊點(diǎn)中軸線呈圓周流動(dòng)。在焊接扎入階段,攪拌套下方材料由外側(cè)相中心匯聚,并由攪拌套底部向攪拌套空腔上部填充。在焊接的回填階段,攪拌套空腔內(nèi)材料由上向下流出空腔,到達(dá)空腔底部后由焊點(diǎn)中心向外側(cè)流動(dòng)。隨著攪拌套扎入深度的增加被焊材料的應(yīng)變速率沒有明顯變化,其應(yīng)變量有所增加。較大的焊具轉(zhuǎn)速可提高被焊材料的應(yīng)變速率,進(jìn)而增加其應(yīng)變量。隨著攪拌套運(yùn)動(dòng)速率的降低塑性材料的應(yīng)變速率有所降低,而應(yīng)變量有所增加。研究了焊點(diǎn)形貌特征及接頭微觀組織的演變規(guī)律,提出了共晶組織及液化裂紋的形成機(jī)制。結(jié)果表明,焊后搭接界面原始的包覆鋁層在SZ內(nèi)重新分布,形成U形的包覆鋁帶形貌,SZ外側(cè)原始搭接界面向上遷移,從而形成上翹的Hook形貌。隨著焊接熱輸入的增加,包覆鋁帶彎曲程度及Hook高度均有所增加。SZ發(fā)生連續(xù)動(dòng)態(tài)再結(jié)晶,初始沉淀相發(fā)生完全固溶,在隨后的冷卻階段析出η及E相。隨著焊接熱輸入的增加,SZ內(nèi)晶粒及析出沉淀相的尺寸有所增加。高熱輸入條件下SZ溫度超過鋁合金的固相線溫度,晶界處溶質(zhì)富集區(qū)發(fā)生熔化,冷卻時(shí)產(chǎn)生共晶組織。更高的焊接熱輸入導(dǎo)致連續(xù)分布的液化層形成,材料的劇烈塑性流動(dòng)使液化層被撕裂,從而形成液化裂紋。TMAZ引入大量增殖位錯(cuò),晶粒發(fā)生扭曲,沉淀相發(fā)生粗化及向穩(wěn)定相轉(zhuǎn)化,其密度有所降低。隨著焊接熱輸入的增加,TMAZ內(nèi)晶粒扭曲程度及位錯(cuò)密度有所增加,沉淀相密度有所降低。HAZ在焊接熱作用下沉淀相發(fā)生粗化,隨著焊接熱輸入的增加,沉淀相粗化程度有所增加。研究了接頭力學(xué)性能隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律,實(shí)現(xiàn)了工藝優(yōu)化。在拉剪載荷作用下接頭高應(yīng)力區(qū)位于Hook尖端及SZ外部。隨著攪拌套扎入深度、焊具轉(zhuǎn)速以及攪拌套運(yùn)動(dòng)速率的增加,接頭的拉剪失效載荷均呈先上升后下降的趨勢(shì)。接頭主要以界面斷裂,混合斷裂以及紐扣斷裂三種模式發(fā)生失效。建立了焊接參數(shù)與接頭拉剪失效載荷之間的二階響應(yīng)模型并進(jìn)行了工藝參數(shù)的優(yōu)化,得到的最佳工藝參數(shù)為:攪拌套扎入深度p=2.92mm,焊具轉(zhuǎn)速ω=1494rpm以及攪拌套運(yùn)動(dòng)速率rs=1mm/s,所獲得最優(yōu)接頭的拉剪失效載荷為10912N。提出獲得高力學(xué)性能接頭的條件為:SZ內(nèi)包覆鋁帶具有足夠的向下遷移距離,同時(shí)具有較小的向上遷移距離;具有較小的Hook上升高度;避免液化裂紋的生成;SZ材料具有較高的強(qiáng)度。
[Abstract]:In order to prevent corrosion in the process of welding , this paper puts forward an asymmetric backfill type FSSW process , which can effectively eliminate the volume loss caused by the overflow of the material under the driving of the welding tool . With the increase of welding heat input , the grain distortion degree and dislocation density in TMAZ increased , and the density of precipitation phase decreased .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(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)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李飛;孔曉芳;吳世凱;肖榮詩;;5083鋁合金光纖激光-TIG復(fù)合焊接工藝研究[J];強(qiáng)激光與粒子束;2014年03期

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本文編號(hào)：1742576