本文選題：旋轉摩擦焊　切入點：界面產(chǎn)熱機制　出處：《西北工業(yè)大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：旋轉摩擦焊具有高品質、高效與節(jié)能的突出優(yōu)點,但該技術一直未能很好地應用于航空航天等高技術領域關鍵構件的制造,其根本原因是缺少系統(tǒng)工藝理論,從而指導形成可信的規(guī)范帶和工藝選取原則。但是,旋轉摩擦焊工藝理論的建立,離不開對接頭界面產(chǎn)熱機制、溫度場及接頭成形機制的深入理解和認識。本文以旋轉摩擦焊實驗研究為主要手段,從摩擦界面產(chǎn)熱是“阻抗做功耗散為熱”的物理本質出發(fā),提取特征參量,表征扭矩(阻抗)和界面溫度場演變規(guī)律,獲得塑性環(huán)生長規(guī)律,并建立相應數(shù)理模型,從而揭示界面摩擦產(chǎn)熱行為和機制。最后,運用上述理論對比研究典型同質和異質組配接頭的成形特征。主要研究內容及成果如下:首先,通過對旋轉摩擦焊第一階段產(chǎn)熱和溫度場演變基本規(guī)律的實驗研究,系統(tǒng)揭示了摩擦扭矩和表面溫度平臺現(xiàn)象及其背后的產(chǎn)熱物理機制。扭矩平臺表明界面總阻抗沒有發(fā)生變化,對應的產(chǎn)熱機制為滑動摩擦,服從阿芒頓 庫侖摩擦定律。溫度平臺的出現(xiàn)表明界面產(chǎn)熱和耗熱達到了一個動態(tài)平衡,其中,滑動摩擦做功對應于較低的溫度平臺,而粘著摩擦產(chǎn)熱的熱強對應于較高的溫度平臺。兩種產(chǎn)熱機制的作用時空特點為,滑動發(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,之后向里、向外生長,粘著區(qū)域面積不斷擴大,該過程以急劇上升的扭矩為典型特征。其次,采用在焊接過程中不同時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。接頭內部溫度場的演變規(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)在寬度尺寸上的長大速度要遠高于在高度方向上的長大速度。在壓力超過臨界壓力之后,塑性環(huán)的形核時間可以近似忽略,第一階段主要是塑性環(huán)的長大。進一步結合焊縫區(qū)微觀組織的演變特性,提出并應用“溫度 應變速率”的熱力耦合雙因素法對20#低碳鋼接頭組織區(qū)域進行了劃分。焊核區(qū)金屬高溫持續(xù)時間長,奧氏體化后隨溫度升高發(fā)生了晶�？焖匍L大,而隨后的冷卻過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析出,形成了魏氏組織。核區(qū)不同時刻微觀組織的EBSD研究表明,在第一階段,塑性環(huán)內金屬已經(jīng)發(fā)生了充分的再結晶,但隨著焊接過程的繼續(xù),發(fā)生長大的再結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,導致最終獲得的組織呈現(xiàn)出不完全動態(tài)再結晶的亞晶組織特征。再次,基于前面產(chǎn)熱和溫度場演變規(guī)律實驗研究結果,提出了產(chǎn)熱功率的線性化假設,從而建立了第一階段溫度場的數(shù)學解析模型。結合非線性非平衡熱力學最大熵產(chǎn)生原理,獲得了第一階段摩擦產(chǎn)熱機制發(fā)生轉變的判據(jù),進一步獲得了第一階段溫度場的定解條件。確定了第一階段界面塑性環(huán)長大的物理模型,并基于產(chǎn)熱與耗熱的能量守恒原理,獲得了塑性環(huán)長大速率的數(shù)學解析模型,利用該數(shù)學模型計算的塑性環(huán)長滿界面所需的時間和實驗值吻合良好,證明了模型的準確性。可以將塑性環(huán)長滿界面作為接頭成形的臨界必要條件,進而以此為目標確定優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。最后,針對旋轉摩擦焊典型產(chǎn)熱及溫度場條件下的接頭成形,分別從同質和異質材料組配兩方面,考察了接頭熱流模式對于力學性能的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)了45#碳鋼同質接頭熱流模式和力學性能之間的唯象關系模型,并提出了以綜合因子為目標參量的熱流模式優(yōu)化準則。旋轉摩擦焊產(chǎn)熱及溫度場在界面徑向上的不均勻分布導致Fe/Ti異質組配接頭截面呈現(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,強化了接頭的力學性能。通過和擴散焊方法的對比研究表明,即便采用復雜的工藝和中間層設計,擴散焊接頭強度依然遠不及旋轉摩擦焊直接連接接頭的強度,表明旋轉摩擦焊獨特的熱力耦合產(chǎn)熱是此類異質組配接頭高效與高強連接的本質原因。
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【學位授予單位】：西北工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG453.9

【參考文獻】

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1 熊江濤;李京龍;張賦升;林鑫;黃衛(wèi)東;;異種純金屬固-固界面化合反應初生相孕育期的動力學極限[J];中國科學(E輯:技術科學);2009年05期

2 唐偉,史耀武,陳丙森;摩擦焊缺陷超聲信號提取及接頭無損檢測與評價[J];機械工程學報;1997年05期

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本文編號：1564311