1、攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding,以下簡(jiǎn)稱(chēng)FSW)是英國(guó)焊接研究所(TWI)發(fā)明的一種新興的固態(tài)連接方法,因其具有在固態(tài)下完成焊接,不需要填充材料,無(wú)污染,易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,避免了熔焊時(shí)的常見(jiàn)缺陷的特點(diǎn)。并被美譽(yù)為綠色焊接技術(shù),所以它一經(jīng)問(wèn)世,就倍受材料加工界的青睞,正在被廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路交通、輪船制造、工業(yè)難焊有色金屬材料的連接上,具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景,已發(fā)展成為在鋁合金等輕金屬結(jié)構(gòu)制造中可以替代熔焊技術(shù)的

2、實(shí)用的工業(yè)化固相連接技術(shù)。攪拌摩擦焊接成型過(guò)程是一個(gè)受多參數(shù)影響的,溫度變化、組織結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變、應(yīng)力應(yīng)變和金屬流動(dòng)等多因素互相作用的復(fù)雜過(guò)程。溫度場(chǎng)、變形場(chǎng)、作用力是攪拌摩擦焊成形過(guò)程的主要組成部分,這三場(chǎng)之間存在高度非線性的復(fù)雜耦合作用,即三者(THM)耦合作用。從實(shí)驗(yàn)研究角度出發(fā)結(jié)合有限元數(shù)值模擬,分別考察三場(chǎng)的演化規(guī)律及相互影響關(guān)系,得到與實(shí)際結(jié)果接近的溫度場(chǎng)分布和焊縫區(qū)塑性金屬流動(dòng)模式及焊接過(guò)程中的三維動(dòng)態(tài)壓力場(chǎng),對(duì)于搞清攪拌摩擦焊

3、成型機(jī)理具有重要意義,為攪拌摩擦焊技術(shù)在更多材料更廣領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　 本文以攪拌摩擦焊成型過(guò)程為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,系統(tǒng)深入地研究了溫度場(chǎng),變形場(chǎng)和作用力的演化規(guī)律及工藝參數(shù)對(duì)三維作用場(chǎng)的影響,并通過(guò)高溫拉伸實(shí)驗(yàn)、摩擦實(shí)驗(yàn)、高溫剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)和熱力同時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)探討了三維作用場(chǎng)的相互作用和耦合過(guò)程。本文的主要工作如下:
　　 1.對(duì)攪拌摩擦焊接過(guò)程三維動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)檢測(cè)和模擬,研

4、究了焊接參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)影響的規(guī)律:前進(jìn)側(cè)溫度低于返回側(cè);摩擦頭前方、越靠近摩擦頭的地方溫度變化梯度越大,而后方溫度變化則較為緩慢;同時(shí)發(fā)現(xiàn)薄板與厚板溫度場(chǎng)的分布存在很大區(qū)別:沿厚度方向薄板溫度分布呈無(wú)底的碗狀,厚板呈花瓶狀。
　　 2.針對(duì)攪拌摩擦焊焊核區(qū)塑性金屬的流動(dòng),利用示蹤粒子能譜掃描的方法和嵌入標(biāo)示材料低倍流線觀測(cè)的方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)塑性金屬材料在焊核區(qū)動(dòng)態(tài)快速的流變復(fù)雜過(guò)程的表征。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中的觀測(cè)到的現(xiàn)象,選用κ-ε紊流計(jì)算

5、模型,利用Fluent流體力學(xué)仿真軟件,初步實(shí)現(xiàn)了攪拌摩擦焊焊核區(qū)金屬流動(dòng)過(guò)程的數(shù)值模擬,并利用切片法得到了不同深度材料的流動(dòng)狀態(tài)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):前進(jìn)側(cè)金屬流動(dòng)更多表現(xiàn)出剪切特性,而返回側(cè)金屬塑性變形較大,發(fā)生了較充分的流動(dòng);轉(zhuǎn)速對(duì)金屬流動(dòng)影響最大,隨著轉(zhuǎn)速的增加金屬流動(dòng)增強(qiáng),但太大的轉(zhuǎn)速,卻會(huì)出現(xiàn)孔洞型缺陷,主要是因?yàn)榍斑M(jìn)側(cè)金屬剪切層較多,返回側(cè)金屬來(lái)不及補(bǔ)充所致;同時(shí)發(fā)現(xiàn)焊接過(guò)程塑性金屬流動(dòng)最有利于焊接成型時(shí)會(huì)出現(xiàn)洋蔥圓環(huán)狀組織。<

6、br>　　 3.針對(duì)攪拌摩擦焊作為一種固態(tài)焊接技術(shù),壓力對(duì)成型起到至關(guān)重要的作用,特別設(shè)計(jì)了三維動(dòng)態(tài)壓力測(cè)量裝置,實(shí)現(xiàn)了前進(jìn)力、側(cè)向力和軸向力的動(dòng)態(tài)測(cè)量,并利用Deform仿真軟件實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬。發(fā)現(xiàn):側(cè)向力只在摩擦頭下壓階段出現(xiàn);軸向力是焊縫成型最關(guān)鍵的因素;并且下壓量對(duì)軸向力的影響最大。焊接所需能量在轉(zhuǎn)速一定時(shí)隨焊速的增加而增加。但在焊速一定時(shí),卻出現(xiàn)特殊情況,焊接所需能量則隨著轉(zhuǎn)速的增加先大后小。利用直接檢測(cè)法卻出現(xiàn)

7、了和電測(cè)法中不同的現(xiàn)象:軸向力隨轉(zhuǎn)速增加呈單調(diào)下降趨勢(shì),焊速對(duì)軸向力的影響不大。這說(shuō)明了焊接能量不僅通過(guò)軸向力摩擦做功,其周向的剪切力作功也占很大比重。
　　 4.針對(duì)攪拌摩擦焊是多物理場(chǎng)共同作用、相互耦合的復(fù)雜過(guò)程,針對(duì)其單物理場(chǎng)研究和模擬與實(shí)際結(jié)果差別較大的情況,找到了三場(chǎng)之間建立聯(lián)系的關(guān)鍵途徑,初步實(shí)現(xiàn)了基于耦合關(guān)系的攪拌摩擦焊接動(dòng)態(tài)過(guò)程數(shù)值模擬。其中通過(guò)對(duì)溫度與材料摩擦系數(shù)間關(guān)系的確定,建立熱力間聯(lián)系;通過(guò)考慮溫度效應(yīng)的