【摘要】：攪拌摩擦焊接是一種新型固態(tài)焊接工藝,由于其具有焊接溫度低、焊接變形小、無污染等特點,針對輕質合金的焊接,如鋁合金、鎂合金等具有明顯的優(yōu)勢,并已逐漸替代了很多工業(yè)應用中的傳統(tǒng)焊接方式。如何能夠有效的模擬攪拌摩擦焊接工藝過程,與試驗結合,對焊接工藝優(yōu)化具有重要意義。將攪拌摩擦焊接有限元模型與材料學和熱力學相結合,為攪拌摩擦焊接過程—工藝參數—力學性能的一體化研究提供了思路。通過有效的數值手段仿真攪拌摩擦焊接過程可以免去大量重復的實驗,降低研究成本,并且能夠從中提煉出整個焊接過程在不同工況作用下展現(xiàn)的規(guī)律性和差異性。基于以上所述背景,通過建立數值模型的方式來研究攪拌摩擦焊接為處理實際焊接工藝提供了有針對性的參考和指導。本文針對廣泛使用的6xxx系列鋁合金建立了基于完全熱力耦合模型的攪拌摩擦焊接微觀組織—強度—形變硬化演變的計算模型,研究了攪拌摩擦焊接過程中的晶粒尺寸變化和析出相演化,以此為基礎,對焊后力學性能和熱處理影響進行了進一步研究。第一,通過有限元軟件DEFORM-3D建立了基于自適應網格重剖分的攪拌摩擦焊接完全熱力耦合模型。利用物質點追蹤技術在焊接模擬過程中對截面構件在攪拌針附件的材料流向進行分析,預測焊接接頭在截面上形成攪拌區(qū)的形貌,結合再結晶計算公式,并對不同焊接工況作用下的焊核區(qū)內發(fā)生再結晶的晶粒尺寸進行預測,同時對比了不同焊接工況作用下沿構件薄板厚度方向計算再結晶得到的晶粒尺寸大小。第二,以過飽和固溶體在溫度變化作用下發(fā)生相變以及第二相析出生長動力學行為為理論基礎,建立了 6xxx系鋁合金的微觀組織演化模型。通過計算過飽和固溶體在等溫以及非等溫時效過程中發(fā)生的沉淀演化機制,得到等溫及非等溫過程中任意時刻的微觀組織演化參數,與實驗測量的結果相對比能夠驗證該計算模型算法的有效性。結合之前建立的攪拌摩擦焊接熱力耦合模型對不同焊接工況進行計算,提取出溫度歷史計算了6005A-T6鋁合金在攪拌摩擦焊接中的析出相演化過程。第三,進一步考慮位錯運動與第二相粒子的交互作用,建立了 6xxx系鋁合金的屈服強度和形變硬化的計算模型。通過與實驗觀測值作對比,能夠驗證過飽和固溶體在等溫及非等溫時效過程中出現(xiàn)的屈服強度和形變硬化參數演化的準確性,并計算了6005A-T6鋁合金在攪拌摩擦焊接不同焊接工況下接頭的強度演變過程,得到了接頭初始強度和形變硬化參數沿截面方向的分布,從靜態(tài)屈服強度和動態(tài)形變硬化兩方面解釋了焊后接頭截面出現(xiàn)強度最弱區(qū)域的原因。最后,聯(lián)立微觀組織演化和初始屈服強度計算模型,進一步研究焊后人工時效對攪拌摩擦焊接構件微觀組織演化和力學性能的影響機理,對6005A-T6焊接接頭采用不同時長和不同溫度組合的焊后人工時效的演變機制進行分析,得到不同組合焊后時效的接頭粒子分布形貌。另外,研究了幾種常用6xxx系鋁合金在主要溶質成分范圍內隨機分布的差異性,并得到不同種類接頭的焊后截面特性分布區(qū)間范圍。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG453.9
【圖文】：

一種基于固相連接技術的焊接工藝［１］。這項工藝技術將旋轉的攪拌頭（Ｗｅｌｄｉｎｇ邋ｔｏｏｌ）插入逡逑待焊區(qū)域，焊接構件受到摩擦生熱以及塑性變形生熱，導致焊接區(qū)域發(fā)生軟化，在熱和逡逑塑性流動的共同作用下，形成可靠的焊接接頭，如圖１所示。在攪拌摩擦焊接過程中，逡逑焊接區(qū)域的材料始終處于固相狀態(tài)并未發(fā)生熔化，避免了傳統(tǒng)焊接工藝中發(fā)生的焊接缺逡逑陷Ｈ，如在傳統(tǒng)熔焊過程中容易導致焊接前后體積發(fā)生變化、氣體溶解度的改變等Ｗ。逡逑攪拌摩擦焊接中，較低的焊接溫度使焊接構件具有較小的焊接變形以及焊后殘余應力，逡逑并提高焊接接頭的疲勞表現(xiàn)＋９］。另外，焊接過程中構件受到攪拌頭的作用力，攪拌摩擦逡逑焊接可以認為是一個完全機械化加工過程［ＩＣ）］，因此，相較于電弧焊等焊接工藝，攪拌摩逡逑擦焊接大大降低了操作技術需求。此外，攪拌摩擦焊接能夠大量減少或是完全清除焊接逡逑過程中帶來的煙塵并且大大降低了能耗以及對環(huán)境造成的影響［１Ｍ６］。逡逑ＢＳ，邐－＃邋；邐Ａ＼ｉａｌ邋ｐｒｅｓｓｕｒｅ逡逑—邋Ｉ邐

攪拌摩擦焊接接頭的成型包含了攪拌頭與焊接構件之間的機械運動所形成的復雜逡逑熱力作用過程，焊接接頭在微觀結構上展現(xiàn)出明顯的不均勻性。從焊接構件受攪拌頭作逡逑用以及焊接構件材料的流向角度來看，如圖１．２所展示［１８］，在接頭范圍內焊接構件可再逡逑細劃分為三個不同的區(qū)域：１．攪拌頭軸肩影響區(qū)域（Ｓｈｏｕｌｄｅｒ邋ａｆｆｅｃｔｅｄ邋ｚｏｎｅ）；邋２．搜拌針逡逑作用區(qū)域（Ｐｉｎ邋ａｆｆｅｃｔｅｄ邋ｚｏｎｅ）；邋３．焊接根部區(qū)域（Ｗｅｌｄ邋ｂｕｔｔ邋ｚｏｎｅ）。逡逑－２－逡逑

【參考文獻】

相關期刊論文 前4條

1 張昭;吳奇;張洪武;;轉速對攪拌摩擦焊接攪拌區(qū)晶粒尺寸影響[J];材料工程;2015年07期

2 張昭;吳奇;;基于材料流動軌跡的攪拌摩擦焊接晶粒及焊接區(qū)大小預測模型[J];機械工程學報;2015年02期

3 張昭;劉亞麗;陳金濤;張洪武;;攪拌摩擦焊接過程中材料流動形式[J];焊接學報;2007年11期

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相關博士學位論文 前1條

1 張昭;攪拌摩擦焊接過程中材料行為及力學響應的數值模擬[D];大連理工大學;2006年

本文編號：2727757