载流-搅拌摩擦焊接内生电阻热效应及搅拌头磨损行为的研究

摘要

本论文研究来源于国家自然科学基金面上项目：载流搅拌摩擦焊接热效应及其组织结构变化规律（51075413/E050803）。搅拌摩擦焊技术由于可以避免传统熔化焊中的气孔、夹杂、裂纹等焊接缺陷，因而成为了近二十年内在世界范围内得到快速发展与广泛工程应用的焊接技术之一。然而，常规的搅拌摩擦焊在焊接高熔点合金上的应用却由于焊接热输入低而受到约束。本文所研究的载流-搅拌摩擦焊技术将搅拌摩擦焊中的摩擦热源与电阻热结合，在焊接过程中形成复合热源，为焊缝提供热输入，从而可以减少焊接缺陷、提高焊接效率、扩展搅拌摩擦焊技术的可应用范围。
　　然而，目前尚缺乏关于载流-搅拌摩擦焊热、力、电耦合过程的数值模拟的研究，且目前已有的研究未涉及到工件变形对搅拌头-工件接触情况以及电流密度分布和温度场的影响。本文基于有限元方法，建立了热、力、电多物理场耦合的载流-搅拌摩擦焊模型，对所得到的工件温度场、应力场和电流场等进行了分析，并用实验验证了数值模型的正确性。利用焊接阶段工件的温度最大值曲线对搅拌摩擦热-电阻热复合热源产热的稳定性进行了评估。结果表明，工件与搅拌头之间并不能达到完全紧密接触，而只能部分接触。当有电流通过接触面积较小的搅拌头/工件界面时，会发生电流聚集现象，导致局部电流显著升高。在焊接阶段总体产热相近的情况下，相比电压控制的载流-搅拌摩擦焊，电流控制的载流-搅拌摩擦焊中的工件更容易出现极高的温度。将工件焊接阶段的温度最大值进行线性拟合后得到的均方误差可用来定量地表征工件在焊接阶段温度的整体波动程度。
　　此外，本文还利用Archard磨损模型和Usui磨损模型对搅拌头的磨损进行了预测，并通过实验得到的实际搅拌头磨损结果对两种模型的预测效果进行了评估。比较了冷加工搅拌头与直接金属激光烧结搅拌头的实际磨损量和预测磨损量，利用两种搅拌头的显微结构及硬度等特征解释了其磨损性能的差异。结果表明，Archard磨损模型可以准确地反映出搅拌头的硬度对其磨损的影响。冷加工搅拌头的最大磨损深度均远远大于DMLS搅拌头。DMLS搅拌头耐磨性较好的原因是其晶粒受到了凝固边界的约束作用而减少了晶界滑移的发生。

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1 绪 论

1.1选题背景及研究意义

1.2搅拌摩擦焊的研究现状

1.3磨损模型的应用

1.4搅拌头磨损的研究

1.5直接金属激光烧结（DMLS）

1.6本文研究目的与内容

2 载流-搅拌摩擦焊有限元模型

2.1载流-搅拌摩擦焊原理

2.2载流-搅拌摩擦焊模型的假设和简化

2.3控制方程

2.4几何模型

2.5材料模型

2.6网格划分

2.7初始条件、边界条件和接触

2.8本章小结

3 载流-搅拌摩擦焊过程的内生电阻热效应

3.1电阻加热模型

3.2导电块宽度对电阻热效应的影响

3.3电压控制下的电阻热效应

3.4电流控制下的电阻热效应

3.5复合热源产热的稳定性

3.6本章小结

4 载流-搅拌摩擦焊中搅拌头的磨损行为

4.1载流-搅拌摩擦焊的搅拌头磨损实验

4.2磨损理论

4.3 Archard磨损模型与Usui磨损模型对搅拌头磨损的预测结果

4.4冷加工搅拌头与DMLS搅拌头的磨损

4.5搅拌头旋转方向对其磨损的影响

4.6本章小结

5 结论与展望

5.1结论

5.2展望

致谢

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 作者在攻读硕士学位论文期间取得的科研成果目录