颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊工艺及焊缝金属迁移行为研究

发布时间：2017-07-31 16:34

  本文关键词：颗粒增强铝基复合材料搅拌摩擦焊工艺及焊缝金属迁移行为研究

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【摘要】：目前,金属基复合材料在焊接时存在很多问题,如气孔敏感性、第二相粒子偏析以及粒子与金属界面反应生成脆性相等,这些都影响了焊接质量。本文选用混合盐法制备的TiB2/A356颗粒增强复合材料为试验材料,对其进行搅拌摩擦焊接,研究了搅拌摩擦焊工艺参数和搅拌头轴肩形式对焊缝成形、微观组织和力学性能的影响。同时还对焊缝金属的迁移行为进行分析,通过标识嵌入试验和数值模拟来深入了解焊缝金属的流动机理。对颗粒增强铝基复合材料进行搅拌摩擦焊时发现,增大搅拌头转速或降低焊接速度可以获得表面成形良好的焊接接头,凹面轴肩焊缝成形质量高于平面轴肩。焊接试验后,对接头微观组织和力学性能进行分析测试,焊缝组织得到细化,TiB2和Al-Si共晶均匀地分布在焊核区,接头力学性能(拉伸强度和显微硬度)与焊接工艺参数存在一定的关系,提高转速或降低焊速都会使得接头的力学性能提高。塑性金属在焊缝厚度方向的迁移分为三个区域,轴肩下压区中塑性金属主要在水平方向上做圆周运动,紊流区中有来自多个方向流动的金属,焊核区中塑性金属在螺纹的作用下做螺旋运动,显现出洋葱环结构。焊接工艺参数对焊缝金属迁移行为有影响,提高转速,轴肩下压区作用范围增大;焊速增大,焊核区面积减小。同时发现,轴肩形式不同主要对轴肩下压区中金属流动产生影响。在焊缝水平面上,前进侧塑性金属部分向前流动,部分滞留在后方;后退侧塑性金属只向后方流动,同时,随着与焊件上表面距离增加,这种流动逐渐减弱。建立了三维流场模型,将模拟结果与嵌入试验结果进行对比,两者可以较好地吻合。焊缝上、中和下部的温度逐渐降低,材料流动的速度也减小,流动趋于平缓;前进侧材料流动的速度梯度大于后退侧,说明前进侧材料流动较剧烈。建立沿焊缝纵向有螺纹的搅拌头二维模型,模拟出螺纹周围材料流动情况,并能够与匙孔处材料流动较好地吻合。有限元模拟对搅拌摩擦焊缝成形和焊接质量评估具有一定的理论和实际指导意义。
【关键词】：颗粒增强铝基复合材料 搅拌摩擦焊 焊缝性能 塑性迁移 数值模拟
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG453.9
【目录】：

• 摘要2-3
• Abstract3-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 引言11
• 1.2 铝基复合材料的研究现状11-15
• 1.2.1 颗粒增强复合材料的制备工艺11-12
• 1.2.2 TiB_2颗粒增强铝基复合材料12-15
• 1.3 颗粒增强铝基复合材料的焊接15-18
• 1.3.1 颗粒增强铝基复合材料焊接现状15-16
• 1.3.2 铝基复合材料FSW接头组织及性能16-17
• 1.3.3 铝基复合材料FSW接头力学性能17-18
• 1.4 搅拌摩擦焊缝流场可视化研究18-20
• 1.4.1 标识材料示踪法18-19
• 1.4.2 异种材料金相组织显示法19-20
• 1.4.3 彩泥模拟法20
• 1.5 搅拌摩擦焊流场数值模拟研究20-21
• 1.6 研究内容与目的21-23
• 第2章 试验材料和方法23-31
• 2.1 试验材料23-24
• 2.2 试验设备24-25
• 2.2.1 搅拌摩擦焊接设备24
• 2.2.2 搅拌头24-25
• 2.3 试验过程25-31
• 2.3.1 搅拌摩擦焊接试验25-27
• 2.3.2 接头组织分析试验27-28
• 2.3.3 力学性能试验28-29
• 2.3.4 搅拌摩擦焊缝流场可视化试验29-31
• 第3章 工艺参数及搅拌头轴肩对焊缝组织与性能的影响31-50
• 3.1 工艺参数及轴肩形式对焊缝成形的影响31-33
• 3.1.1 焊接工艺参数对焊缝表面成形的影响31-33
• 3.1.2 轴肩形式对焊缝表面成形的影响33
• 3.2 TiB_2/A356铝基复合材料FSW接头的宏观组织33-34
• 3.3 TiB_2/A356铝基复合材料FSW接头的微观组织34-38
• 3.4 搅拌摩擦焊对增强相颗粒分布的影响38-39
• 3.5 工艺参数及轴肩形式对接头显微硬度的影响39-45
• 3.5.1 接头显微硬度的各层异性40-41
• 3.5.2 不同工艺参数下的接头显微硬度41-44
• 3.5.3 不同轴肩形式下的接头显微硬度44-45
• 3.6 工艺参数及轴肩形式对接头拉伸性能的影响45-48
• 3.6.1 不同工艺参数下的拉伸性能45-46
• 3.6.2 不同轴肩形式下的拉伸性能46-47
• 3.6.3 FSW接头拉伸断口分析47-48
• 3.7 本章小结48-50
• 第4章 工艺参数和轴肩形式对焊缝金属迁移行为的影响50-62
• 4.1 焊缝横截面上的塑性金属流动50-52
• 4.2 工艺参数对塑性金属流动的影响52-55
• 4.2.1 焊接速度对金属流动的影响52-54
• 4.2.2 旋转速度对金属流动的影响54-55
• 4.3 搅拌头轴肩形式对金属流动的影响55-59
• 4.3.1 轴肩形式对焊缝横截面上金属流动的影响55-57
• 4.3.2 轴肩形式对焊缝水平面上金属流动的影响57-59
• 4.4 增强颗粒对金属流动的影响59-60
• 4.5 本章小结60-62
• 第5章 焊缝塑性金属流动数值模拟62-77
• 5.1 CFD软件FLUENT简介62-63
• 5.2 数学模型的建立63-65
• 5.2.1 主控方程63-64
• 5.2.2 材料属性64-65
• 5.3 铝基复合材料FSW有限体积模型建立65-68
• 5.3.1 实体模型的建立65
• 5.3.2 网格划分及边界条件设置65-67
• 5.3.3 材料属性的确定67
• 5.3.4 计算模型的选取67-68
• 5.4 模拟结果与讨论68-75
• 5.4.1 水平面塑性金属迁移行为分析68-73
• 5.4.2 纵截面塑性金属迁移行为分析73-75
• 5.5 本章小结75-77
• 结论77-79
• 参考文献79-82
• 致谢82

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 ;Diffusion welding of SiCp/2014Al composites using Ni as interlayer[J];Journal of University of Science and Technology Beijing(English Edition);2006年03期

2 金朝阳,顾晓波,邹家生,韩逸生,赵其章,陈铮;铝基复合材料连接研究进展[J];华东船舶工业学院学报;2000年05期

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本文编号：600109