铝合金搅拌摩擦点焊过程及其动态再结晶数值模拟

【摘要】：搅拌摩擦点焊是在“线性”搅拌摩擦焊基础上发展起来的一种新型固态连接技术，可用来取代电阻点焊和铆接等传统点连接工艺，尤其对于铝合金等轻质合金的连接具有独特的优势，目前已经在航空航天、汽车工业、船舶制造等领域得到了广泛的青睐与认可。但其理论研究水平却远远落后于实际应用的需求，许多关键性的问题，比如焊接过程中的传热机制、热塑性材料的流动形式以及显微组织的演变规律等，还没有得到深入的研究，阻碍了该先进技术的推广与应用。 本文主要针对搅拌摩擦点焊过程中目前的几个热点问题，首先研究了焊接工艺参数对焊接过程温度场和下压力的影响规律。在试验过程中对接头附近区域的温度场进行了实时测量，得到了焊接过程中温度场在时间和空间上的分布规律。结果表明焊接温度会随着搅拌头转速的提高而增加，但当转速增加到一定程度后，接头温度虽然有所增加，但其增加幅度明显降低；同时焊接温度随着下压速度的提高而增加；当搅拌头达到预定深度后，在工件中停留时间的延长并不能显著提高焊接温度；在轴肩接触到工件材料之前，搅拌头承受的下压力随着转速的提高而逐渐降低，而当轴肩接触到工件材料之后，搅拌头承受的下压力迅速上升。 其次，分析了接头中典型区域如搅拌区、热力影响区和热影响区的显微组织特征，包括晶粒形态、晶粒尺寸和位相角的分布等。搅拌区主要由经历了几何动态再结晶的细小等轴晶粒组成，随着搅拌头旋转速度的降低，搅拌区的晶粒尺寸也逐渐变小。不同工艺参数下的搅拌区位相角分布类似，其中15°以上的大角度位相角和5°以下的小角度位相角所占比例都很大，分别为45%和51%左右。热力影响区主要由发生了部分几何动态再结晶的晶粒构成，这个区域的晶粒尺寸变化范围很大。热影响区的晶粒形态与母材类似，只是经历了热循环作用，晶粒发生了长大。 然后，建立了搅拌摩擦点焊过程温度场和热力耦合数值模型，并将基于位错密度演化的几何动态再结晶物理模型耦合到数值模型中，对焊接过程中的温度场、应变场、应变速率场、材料流动以及显微组织结构等进行了预测。构建显微组织演变模型的基本思路是位错密度决定亚晶粒尺寸，亚晶粒尺寸进一步决定几何动态再结晶晶粒的大小，但是否发生几何动态再结晶取决于材料中的应变是否超过临界应变。通过比较数值模拟和试验测量的温度场数据和晶粒尺寸数据，验证了所建数值模型的正确性和实用性。 最后，根据数值模拟得到的搅拌区温度场数据、应变和应变速率数据，在Gleeble-3800上对搅拌区的显微组织演变进行了物理模拟试验。由于搅拌区材料经历的应变和应变速率都非常大，用常规的热压缩与热拉伸试验很难达到相应的变形条件，因此采用热扭转来进行搅拌区显微组织的物理模拟。分析了热扭转试样相应区域的显微组织特点。在热扭转试样中，只要发生了几何动态再结晶，其晶粒尺寸相近，主要取决于变形温度，而应变和应变速率对晶粒尺寸影响并不大，这与接头搅拌区的晶粒尺寸演变类似。而热扭转试样中15°以上的大角度位相角所占比例约为搅拌区中的一半左右。