載流-攪拌摩擦焊接內(nèi)生電阻熱效應(yīng)及攪拌頭磨損行為的研究.pdf

1、本論文研究來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：載流攪拌摩擦焊接熱效應(yīng)及其組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律（51075413/E050803）。攪拌摩擦焊技術(shù)由于可以避免傳統(tǒng)熔化焊中的氣孔、夾雜、裂紋等焊接缺陷，因而成為了近二十年內(nèi)在世界范圍內(nèi)得到快速發(fā)展與廣泛工程應(yīng)用的焊接技術(shù)之一。然而，常規(guī)的攪拌摩擦焊在焊接高熔點(diǎn)合金上的應(yīng)用卻由于焊接熱輸入低而受到約束。本文所研究的載流-攪拌摩擦焊技術(shù)將攪拌摩擦焊中的摩擦熱源與電阻熱結(jié)合，在焊接過(guò)程中形成復(fù)合熱源，為焊

2、縫提供熱輸入，從而可以減少焊接缺陷、提高焊接效率、擴(kuò)展攪拌摩擦焊技術(shù)的可應(yīng)用范圍。
　　然而，目前尚缺乏關(guān)于載流-攪拌摩擦焊熱、力、電耦合過(guò)程的數(shù)值模擬的研究，且目前已有的研究未涉及到工件變形對(duì)攪拌頭-工件接觸情況以及電流密度分布和溫度場(chǎng)的影響。本文基于有限元方法，建立了熱、力、電多物理場(chǎng)耦合的載流-攪拌摩擦焊模型，對(duì)所得到的工件溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)和電流場(chǎng)等進(jìn)行了分析，并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了數(shù)值模型的正確性。利用焊接階段工件的溫度最大值曲線(xiàn)對(duì)

3、攪拌摩擦熱-電阻熱復(fù)合熱源產(chǎn)熱的穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，工件與攪拌頭之間并不能達(dá)到完全緊密接觸，而只能部分接觸。當(dāng)有電流通過(guò)接觸面積較小的攪拌頭/工件界面時(shí)，會(huì)發(fā)生電流聚集現(xiàn)象，導(dǎo)致局部電流顯著升高。在焊接階段總體產(chǎn)熱相近的情況下，相比電壓控制的載流-攪拌摩擦焊，電流控制的載流-攪拌摩擦焊中的工件更容易出現(xiàn)極高的溫度。將工件焊接階段的溫度最大值進(jìn)行線(xiàn)性擬合后得到的均方誤差可用來(lái)定量地表征工件在焊接階段溫度的整體波動(dòng)程度。
　　

4、此外，本文還利用Archard磨損模型和Usui磨損模型對(duì)攪拌頭的磨損進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際攪拌頭磨損結(jié)果對(duì)兩種模型的預(yù)測(cè)效果進(jìn)行了評(píng)估。比較了冷加工攪拌頭與直接金屬激光燒結(jié)攪拌頭的實(shí)際磨損量和預(yù)測(cè)磨損量，利用兩種攪拌頭的顯微結(jié)構(gòu)及硬度等特征解釋了其磨損性能的差異。結(jié)果表明，Archard磨損模型可以準(zhǔn)確地反映出攪拌頭的硬度對(duì)其磨損的影響。冷加工攪拌頭的最大磨損深度均遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于DMLS攪拌頭。DMLS攪拌頭耐磨性較好的原因是其晶