基本信息
- 項目名稱：
- 攪拌摩擦焊過程中材料塑性流動對焊縫成形機制的研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 自然科學類學術(shù)論文
- 簡介：
- 攪拌摩擦焊是一種新型綠色焊接技術(shù)，具有優(yōu)質(zhì)、綠色、環(huán)保，高效的特點。本文通過開展攪拌摩擦焊工藝實驗，在實驗基礎上建立焊接過程數(shù)值模型，了解焊接過程中各焊接參數(shù)對于焊接最終焊縫成型的影響。模型與焊接實際過程吻合良好，模型可以應用于各種材料的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，節(jié)省實驗研究成本及周期，加快不同材料工程應用的步伐，縮短研發(fā)到工程應用的周期。有利于這項新型焊接技術(shù)的工程應用推廣。
- 詳細介紹：
- 隨著科技的進步，人們對于節(jié)能環(huán)保的要求也越來越高，因此綠色、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、低能耗的焊接技術(shù)是未來的發(fā)展方向。由TWI于1991年發(fā)明的攪拌摩擦焊技術(shù)是一種新型固相焊接技術(shù)，被稱為“綠色焊接技術(shù)”，具有焊接質(zhì)量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點。自發(fā)明以來，攪拌摩擦焊技術(shù)就取得一系列重大進展，在工程應用中也越來越廣泛，目前已經(jīng)在航空、航天，造船，高速列車等領(lǐng)域都獲得了應用。 本文通過采用2A12鋁合金進行攪拌摩擦焊工藝實驗，調(diào)整焊接過程中各項工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對于焊縫最終成形的影響，從而選取合適的焊接工藝參數(shù)。在此基礎上，通過考慮焊接過程中材料流動特性，將材料流動模型簡化為粘塑性不可壓縮的穩(wěn)定層流，流體屬于非牛頓流體。焊接過程中只考慮攪拌頭軸肩和攪拌針與工件之間的摩擦產(chǎn)熱，忽略塑性變形產(chǎn)熱，建立攪拌摩擦焊產(chǎn)熱的熱源模型，應用有限元軟件Fluent對攪拌摩擦焊過程的熱場及流場進行模擬，分析焊接過程中流場、熱場對最終焊縫成形性能的影響，進而得出攪拌摩擦焊過程中溫度分布及材料流動對最終焊縫成形的影響機理。 研究發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊過程中溫度場高溫區(qū)偏向于前進側(cè)，而材料流動劇烈區(qū)偏向于后退側(cè)。如果增大焊接速度，而攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度不能同步匹配增加將容易引起焊接缺陷。 通過研究獲得攪拌摩擦焊焊接工藝優(yōu)化模擬模型，通過模型可以開展各種輕合金攪拌摩擦焊工藝優(yōu)化研究，能夠用于金屬焊接工藝優(yōu)化研究，縮短各種金屬焊接研究費用及周期，為這種新型高效綠色焊接技術(shù)的技術(shù)開發(fā)及工程應用推廣提供基礎。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 開展攪拌摩擦焊工藝及數(shù)值模擬研究，進行新型高效綠色焊接技術(shù)研究與工程推廣。通過進行攪拌摩擦焊工藝試驗，確定最佳工藝參數(shù)及各參數(shù)對于焊縫成形的影響，在此基礎上建立熱源模型，運用有限元軟件對焊接過程的熱場和流場分別進行模擬，以此了解焊接過程的各參數(shù)對焊縫成形的影響機理。
科學性、先進性及獨特之處
- 本項目通過實驗、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，通過改變焊接過程中各項工藝參數(shù)，了解各項參數(shù)對于焊接過程中溫度場與材料流動的影響。建立相應的焊接過程模擬模型，考慮焊接過程中的產(chǎn)熱機制，材料流動特性，運用有限元軟件對焊接過程進行模擬分析，得出各項參數(shù)對最終焊縫成形影響的耦合作用。
應用價值和現(xiàn)實意義
- 攪拌摩擦焊是一種新型固相連接技術(shù)，具有高效、優(yōu)質(zhì)、安全、綠色、環(huán)保的特點，是公認的“綠色焊接方法”。開展攪拌摩擦焊的研究，對于該項技術(shù)的應用推廣、促進節(jié)能減排、踐行環(huán)保低碳具有重要的意義。通過對攪拌摩擦焊熱場及材料流動進行研究，進一步深入了解各項工藝參數(shù)對最終形成焊縫的質(zhì)量的影響，揭示這種焊接新技術(shù)的焊接機理，進而為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)奠定基礎，進行該項新型工藝技術(shù)開發(fā)研究及工程應用優(yōu)化研究。
學術(shù)論文摘要
- 隨著科技的進步，人們對于節(jié)能環(huán)保的要求也越來越高，因此綠色、高效、優(yōu)質(zhì)、環(huán)保、低能耗的焊接技術(shù)是未來的發(fā)展方向。攪拌摩擦焊技術(shù)是一種新型固相焊接技術(shù)，被稱為“綠色焊接技術(shù)”，具有焊接質(zhì)量高、成本低、環(huán)境友好等優(yōu)點。自發(fā)明以來，在工程應用中也越來越廣泛，目前已經(jīng)在航空、航天，造船，高速列車等領(lǐng)域都獲得了應用。 本文通過采用2A12鋁合金進行攪拌摩擦焊工藝實驗，調(diào)整焊接過程中各項工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對于焊縫最終成形的影響，從而選取合適的焊接工藝參數(shù)。在此基礎上，通過考慮焊接過程中材料流動特性和產(chǎn)熱模式，建立攪拌摩擦焊產(chǎn)熱的熱源模型和材料流動模型，應用有限元軟件對攪拌摩擦焊過程的熱場及流場進行模擬，分析焊接過程中流場、熱場對最終焊縫成形性能的影響，進而得出攪拌摩擦焊過程中溫度分布及材料流動對最終焊縫成形的影響機理。 通過研究獲得攪拌摩擦焊焊接工藝優(yōu)化模擬模型，通過模型可以開展各種輕合金攪拌摩擦焊工藝優(yōu)化研究，能夠用于金屬焊接工藝優(yōu)化研究，縮短各種金屬焊接研究費用及周期，為這種新型高效綠色焊接技術(shù)的技術(shù)開發(fā)及工程應用推廣提供基礎。
獲獎情況
- “挑戰(zhàn)杯”山東大學“臨沂市人民醫(yī)院”學生自主創(chuàng)新基金項目2011年首批立項項目 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”課外學術(shù)作品大賽山東大學一等獎
鑒定結(jié)果
- 本項目完成了攪拌摩擦焊這種新型焊接工藝過程的模擬，建立的模型對于了解這種焊接過程機理，開展這一新型焊接研究及工程應用推廣具有重要意義。項目具有良好的創(chuàng)新性和工程應用前景。
參考文獻
- [1] R. S. Mishra，Z. Y. Ma. Friction stir welding and processing [J] Materials Science and Engineering R，2005，50（1-2）：1-78. [2] R. Nandan, G.Roy, T.Lienert. Numerical modelling of 3D plastic flow and heat transfer during friction stir welding of stainless steel[J].Science and Technology of Welding and Joining.2006，11(5):526-537. [3] K. Colligan. Material Flow Behavior during Friction Stir Welding of Aluminum [J] Welding Journal. 2003，78（7）：229-237 [4] T.Seidel,A.Reynolds.Two-dimensional Friction Stir Welding Process Model Based on Fluid Mechanics [J].Science and Technology of Welding and Joining, 2003, (8):175–183. [5] P. A. Colegrove and H. R. Shercliff: Science and Technology of Welding and Joining,2004, 9, (4), 345–351. [6] R. Nandan, G.Roy, T.Lienert. Numerical modelling of 3D plastic flow and heat transfer during friction stir welding of stainless steel[J].Science and Technology of Welding and Joining.2006，11(5):526-537.
同類課題研究水平概述
- 目前關(guān)于攪拌摩擦焊材料流動對焊縫成形機理的研究還相對比較少，尤其是關(guān)于流動對焊縫成形機理的模擬研究，主要有中國攪拌摩擦焊中心、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學等相關(guān)單位開展了一系列相關(guān)研究，但大多數(shù)都是針對焊接工藝本身開展實驗研究，而關(guān)于該焊接技術(shù)的焊接機理研究還相對較少。 中國攪拌摩擦焊中心的欒國紅在試驗的基礎上，初步總結(jié)了攪拌摩擦焊接頭塑化金屬的流變特性。 此外，清華大學，上海交通大學等也針對攪拌摩擦焊過程中的材料流動及焊縫成形開展了相關(guān)研究。 國外對于攪拌摩擦焊技術(shù)也相當重視，自1991年該項技術(shù)問世以來，國外針對該技術(shù)的推廣應用，開展了各種合金，尤其是鋁合金攪拌摩擦焊工藝優(yōu)化，同時也有許多學者針對該項技術(shù)的產(chǎn)熱機理、材料流動特性以及熱場分布情況開展了一系列研究。 Reynolds等人采用實驗標記法分析攪拌摩擦焊過程中材料流動的情況，并在測得的數(shù)據(jù)建立了焊接過程中材料流動形貌圖。Colligan通過鑲嵌小鋼球作為追蹤材料來觀察鋁合金攪拌摩擦焊接頭的流動形式，研究結(jié)果表明，焊接過程中材料的流動主要是水平面上的，材料在水平面上從前進側(cè)向后退側(cè)轉(zhuǎn)移，并在后退側(cè)沉積，而垂直方向材料流動不大，材料的流動以層流為主。 除了實驗研究外，還有許多學者針對該項工藝，建立了相應的產(chǎn)熱模型，模擬熱場分布和流場情況，Seidel和Reynolds建立了一個關(guān)于薄板的粘性的非牛頓流體環(huán)繞圓柱體的二維全耦合熱傳導模型。 Colegrove和Shercliff采用商業(yè)CFD（計算流體動力學）軟件——FLUENT，建立了7075鋁合金攪拌摩擦焊過程中的三維熱流與材料流動模型。 此外，除了鋁合金、鎂合金等輕合金的攪拌摩擦焊研究以外，目前關(guān)于這一新型焊接技術(shù)的其他材料焊接研究也已經(jīng)進入人們的視線，開始被關(guān)注。Nandan等建立304奧氏體不銹鋼攪拌摩擦焊過程中的三維粘塑性流動場及溫度場模型。在考慮應變速率和取決于溫度的流動應力的條件下計算非牛頓粘性金屬的流動情況。模擬計算結(jié)果表明，在攪拌頭的表面附近存在明顯的粘塑性金屬流動，并且發(fā)現(xiàn)對流傳熱是最主要的傳熱形式。計算的溫度場和速度場顯示存在強烈三維狀態(tài)的質(zhì)量和熱量的轉(zhuǎn)移，因此需要進行三維模擬計算。模擬計算的溫度分布剖面圖與實驗測量值吻合良好。
