搅拌摩擦焊搅拌头疲劳寿命和构件微结构演化数值模拟

【摘要】：搅拌摩擦焊接(FSW)是一项新颖的固态连接技术,广泛应用于铝合金、镁合金等有色金属材料的焊接。大量实验与工程经验表明,影响搅拌摩擦焊接过程可靠性和焊后质量的因素最主要有两方面,一是搅拌头的疲劳寿命问题,二是焊后搅拌区域材料的微观结构。为促进与优化铝合金FSW工程应用,对搅拌头和微观结构演化进行数值模拟和设计是十分必要的。本文以铝合金搅拌摩擦焊接的计算流体力学(CFD)数值仿真与计算为基础,提出了搅拌头受力和疲劳的计算模型,结合Monte Carlo(MC)方法计算了搅拌摩擦焊接过程中再结晶和晶粒生长过程,在必要的实验验证基础上,讨论了焊接参数、几何参数等对搅拌头受力、疲劳和焊接构件微观结构的影响。本学位论文各章节的具体内容安排如下:第一章分析了搅拌摩擦焊接的主要特点及其在工业领域的巨大应用价值。重点综述了目前研究人员对搅拌头焊接过程安全性及焊接构件搅拌区微结构演化的研究工作。指出当前研究工作在以上两个方向上的不足之处,阐述本文为促进、补充该方向的研究,所做的主要研究内容。第二章详细阐述6061-T6铝合金搅拌摩擦焊接CFD模型的模型建立、计算基础和求解方法,并进行FSW焊接实验,对比验证CFD模型的精确性。基于CFD模型计算结果,分析了 FSW过程中的温度场分布形式和不同厚度层材料流动规律,提出基于流线图特征判断不同工况下搅拌区范围的方法。第三章提出搅拌针应力和焊接疲劳寿命的数值计算方法。本章首先分析了搅拌针上受力的形成机理、分布形式和焊接力随焊接参数与搅拌头构型的变化规律。其次研究了高温下搅拌针应力的计算方法,采用实验与数值两种方法分析了搅拌针温升问题,以数值解结合解析解验证的方法计算了多种工况下搅拌针危险点应力值。本章最后运用Brown-Miller疲劳寿命预测模型和疲劳累积损伤理论,定量计算和预测了焊接参数、搅拌头构型对搅拌头使用寿命的影响。第四章建立MC计算方法与CFD数值模型相结合的求解模型,预测了 FSW焊后搅拌区的微观结构演化过程。本章首先分析了 FSW搅拌区材料经历的微观结构演化过程和MC模型的计算流程,建立基于晶界迁移速率的关系方程将MC计算方法与搅拌区晶粒演化过程联系起来。其次分析了 FSW焊核区域动态再结晶现象与第二相粒子钉扎现象对晶粒的细化作用,提出了在MC模型中模拟上述两种演化机理的方法。本章最后计算了多种焊接参数下FSW搅拌区晶粒演化过程,分析了不同焊接参数和搅拌区横截面不同位置处的微结构演化规律。本章同时建立了集成MC模型与CFD计算结果的FSW搅拌区微观结构计算分析软件。第五章对本文的主要工作进行了总结,阐述了本学位论文在搅拌摩擦焊接领域的创新性及贡献,并对未来研究工作进行了展望。