搅拌摩擦焊接过程的多场检测及耦合关键问题研究

【摘要】：搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding,以下简称FSW)是英国焊接研究所(TWI)发明的一种新兴的固态连接方法,因其具有在固态下完成焊接,不需要填充材料,无污染,易实现自动化,避免了熔焊时的常见缺陷的特点。并被美誉为绿色焊接技术,所以它一经问世,就倍受材料加工界的青睐,正在被广泛应用于航空航天、铁路交通、轮船制造、工业难焊有色金属材料的连接上,具有广阔的市场应用前景,已发展成为在铝合金等轻金属结构制造中可以替代熔焊技术的实用的工业化固相连接技术。搅拌摩擦焊接成型过程是一个受多参数影响的,温度变化、组织结构转变、应力应变和金属流动等多因素互相作用的复杂过程。温度场、变形场、作用力是搅拌摩擦焊成形过程的主要组成部分,这三场之间存在高度非线性的复杂耦合作用,即三者(THM)耦合作用。从实验研究角度出发结合有限元数值模拟,分别考察三场的演化规律及相互影响关系,得到与实际结果接近的温度场分布和焊缝区塑性金属流动模式及焊接过程中的三维动态压力场,对于搞清搅拌摩擦焊成型机理具有重要意义,为搅拌摩擦焊技术在更多材料更广领域内的应用奠定了基础。 本文以搅拌摩擦焊成型过程为研究对象,采用实验研究与数值模拟相结合的方法,系统深入地研究了温度场,变形场和作用力的演化规律及工艺参数对三维作用场的影响,并通过高温拉伸实验、摩擦实验、高温剪切强度实验和热力同时测量实验探讨了三维作用场的相互作用和耦合过程。本文的主要工作如下: 1.对搅拌摩擦焊接过程三维动态温度场进行了实时检测和模拟,研究了焊接参数对温度场影响的规律:前进侧温度低于返回侧;摩擦头前方、越靠近摩擦头的地方温度变化梯度越大,而后方温度变化则较为缓慢;同时发现薄板与厚板温度场的分布存在很大区别:沿厚度方向薄板温度分布呈无底的碗状,厚板呈花瓶状。 2.针对搅拌摩擦焊焊核区塑性金属的流动,利用示踪粒子能谱扫描的方法和嵌入标示材料低倍流线观测的方法,实现了对塑性金属材料在焊核区动态快速的流变复杂过程的表征。结合实验中的观测到的现象,选用k-ε紊流计算模型,利用Fluent流体力学仿真软件,初步实现了搅拌摩擦焊焊核区金属流动过程的数值模拟,并利用切片法得到了不同深度材料的流动状态。研究结果发现:前进侧金属流动更多表现出剪切特性,而返回侧金属塑性变形较大,发生了较充分的流动;转速对金属流动影响最大,随着转速的增加金属流动增强,但太大的转速,却会出现孔洞型缺陷,主要是因为前进侧金属剪切层较多,返回侧金属来不及补充所致;同时发现焊接过程塑性金属流动最有利于焊接成型时会出现洋葱圆环状组织。 3.针对搅拌摩擦焊作为一种固态焊接技术,压力对成型起到至关重要的作用,特别设计了三维动态压力测量装置,实现了前进力、侧向力和轴向力的动态测量,并利用Deform仿真软件实现了动态应力场的数值模拟。发现:侧向力只在摩擦头下压阶段出现;轴向力是焊缝成型最关键的因素;并且下压量对轴向力的影响最大。焊接所需能量在转速一定时随焊速的增加而增加。但在焊速一定时,却出现特殊情况,焊接所需能量则随着转速的增加先大后小。利用直接检测法却出现了和电测法中不同的现象:轴向力随转速增加呈单调下降趋势,焊速对轴向力的影响不大。这说明了焊接能量不仅通过轴向力摩擦做功,其周向的剪切力作功也占很大比重。 4.针对搅拌摩擦焊是多物理场共同作用、相互耦合的复杂过程,针对其单物理场研究和模拟与实际结果差别较大的情况,找到了三场之间建立联系的关键途径,初步实现了基于耦合关系的搅拌摩擦焊接动态过程数值模拟。其中通过对温度与材料摩擦系数间关系的确定,建立热力间联系;通过考虑温度效应的材料流变方程的确立,建立热流间联系;通过高温剪切强度的研究,建立力流间联系。 5.研究了搅拌摩擦焊接过程中的常见缺陷,并利用基于耦合理论的数值模拟方法,成功预测了焊接缺陷,并分析了原因。 6.利用正交实验法,实时检测了大量轴向力数据,通过对这些数据的线性回归分析,利用最小二乘法建立了轴向力预测模型。