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基本信息
- 項(xiàng)目名稱(chēng)：
- 攪拌摩擦焊過(guò)程中材料塑性流動(dòng)對(duì)焊縫成形機(jī)制的研究
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類(lèi)：
- 機(jī)械與控制
- 大類(lèi)：
- 自然科學(xué)類(lèi)學(xué)術(shù)論文
- 簡(jiǎn)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(diǎn)。本文通過(guò)開(kāi)展攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上建立焊接過(guò)程數(shù)值模型，了解焊接過(guò)程中各焊接參數(shù)對(duì)于焊接最終焊縫成型的影響。模型與焊接實(shí)際過(guò)程吻合良好，模型可以應(yīng)用于各種材料的焊接工藝參數(shù)優(yōu)化，節(jié)省實(shí)驗(yàn)研究成本及周期，加快不同材料工程應(yīng)用的步伐，縮短研發(fā)到工程應(yīng)用的周期。有利于這項(xiàng)新型焊接技術(shù)的工程應(yīng)用推廣。
- 詳細(xì)介紹：
- 隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于節(jié)能環(huán)保的要求也越來(lái)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(lái)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(chēng)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(diǎn)。自發(fā)明以來(lái)，攪拌摩擦焊技術(shù)就取得一系列重大進(jìn)展，在工程應(yīng)用中也越來(lái)越廣泛，目前已經(jīng)在航空、航天，造船，高速列車(chē)等領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用。 本文通過(guò)采用2A12鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)，調(diào)整焊接過(guò)程中各項(xiàng)工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對(duì)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(chǔ)上，通過(guò)考慮焊接過(guò)程中材料流動(dòng)特性，將材料流動(dòng)模型簡(jiǎn)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(guò)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(yīng)用有限元軟件Fluent對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程的熱場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析焊接過(guò)程中流場(chǎng)、熱場(chǎng)對(duì)最終焊縫成形性能的影響，進(jìn)而得出攪拌摩擦焊過(guò)程中溫度分布及材料流動(dòng)對(duì)最終焊縫成形的影響機(jī)理。 研究發(fā)現(xiàn)攪拌摩擦焊過(guò)程中溫度場(chǎng)高溫區(qū)偏向于前進(jìn)側(cè)，而材料流動(dòng)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(guò)研究獲得攪拌摩擦焊焊接工藝優(yōu)化模擬模型，通過(guò)模型可以開(kāi)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(fèi)用及周期，為這種新型高效綠色焊接技術(shù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)。
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作品專(zhuān)業(yè)信息
撰寫(xiě)目的和基本思路
- 開(kāi)展攪拌摩擦焊工藝及數(shù)值模擬研究，進(jìn)行新型高效綠色焊接技術(shù)研究與工程推廣。通過(guò)進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝試驗(yàn)，確定最佳工藝參數(shù)及各參數(shù)對(duì)于焊縫成形的影響，在此基礎(chǔ)上建立熱源模型，運(yùn)用有限元軟件對(duì)焊接過(guò)程的熱場(chǎng)和流場(chǎng)分別進(jìn)行模擬，以此了解焊接過(guò)程的各參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響機(jī)理。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨(dú)特之處
- 本項(xiàng)目通過(guò)實(shí)驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，通過(guò)改變焊接過(guò)程中各項(xiàng)工藝參數(shù)，了解各項(xiàng)參數(shù)對(duì)于焊接過(guò)程中溫度場(chǎng)與材料流動(dòng)的影響。建立相應(yīng)的焊接過(guò)程模擬模型，考慮焊接過(guò)程中的產(chǎn)熱機(jī)制，材料流動(dòng)特性，運(yùn)用有限元軟件對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行模擬分析，得出各項(xiàng)參數(shù)對(duì)最終焊縫成形影響的耦合作用。
應(yīng)用價(jià)值和現(xiàn)實(shí)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(diǎn)，是公認(rèn)的“綠色焊接方法”。開(kāi)展攪拌摩擦焊的研究，對(duì)于該項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用推廣、促進(jìn)節(jié)能減排、踐行環(huán)保低碳具有重要的意義。通過(guò)對(duì)攪拌摩擦焊熱場(chǎng)及材料流動(dòng)進(jìn)行研究，進(jìn)一步深入了解各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)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(jī)理，進(jìn)而為優(yōu)化焊接工藝參數(shù)奠定基礎(chǔ)，進(jìn)行該項(xiàng)新型工藝技術(shù)開(kāi)發(fā)研究及工程應(yīng)用優(yōu)化研究。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 隨著科技的進(jìn)步，人們對(duì)于節(jié)能環(huán)保的要求也越來(lái)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(lái)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(chēng)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(diǎn)。自發(fā)明以來(lái)，在工程應(yīng)用中也越來(lái)越廣泛，目前已經(jīng)在航空、航天，造船，高速列車(chē)等領(lǐng)域都獲得了應(yīng)用。 本文通過(guò)采用2A12鋁合金進(jìn)行攪拌摩擦焊工藝實(shí)驗(yàn)，調(diào)整焊接過(guò)程中各項(xiàng)工藝參數(shù)，了解各參數(shù)對(duì)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(chǔ)上，通過(guò)考慮焊接過(guò)程中材料流動(dòng)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(dòng)模型，應(yīng)用有限元軟件對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程的熱場(chǎng)及流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析焊接過(guò)程中流場(chǎng)、熱場(chǎng)對(duì)最終焊縫成形性能的影響，進(jìn)而得出攪拌摩擦焊過(guò)程中溫度分布及材料流動(dòng)對(duì)最終焊縫成形的影響機(jī)理。 通過(guò)研究獲得攪拌摩擦焊焊接工藝優(yōu)化模擬模型，通過(guò)模型可以開(kāi)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(fèi)用及周期，為這種新型高效綠色焊接技術(shù)的技術(shù)開(kāi)發(fā)及工程應(yīng)用推廣提供基礎(chǔ)。
獲獎(jiǎng)情況
- “挑戰(zhàn)杯”山東大學(xué)“臨沂市人民醫(yī)院”學(xué)生自主創(chuàng)新基金項(xiàng)目2011年首批立項(xiàng)項(xiàng)目 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”課外學(xué)術(shù)作品大賽山東大學(xué)一等獎(jiǎng)
鑒定結(jié)果
- 本項(xiàng)目完成了攪拌摩擦焊這種新型焊接工藝過(guò)程的模擬，建立的模型對(duì)于了解這種焊接過(guò)程機(jī)理，開(kāi)展這一新型焊接研究及工程應(yīng)用推廣具有重要意義。項(xiàng)目具有良好的創(chuàng)新性和工程應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
- [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(lèi)課題研究水平概述
- 目前關(guān)于攪拌摩擦焊材料流動(dòng)對(duì)焊縫成形機(jī)理的研究還相對(duì)比較少，尤其是關(guān)于流動(dòng)對(duì)焊縫成形機(jī)理的模擬研究，主要有中國(guó)攪拌摩擦焊中心、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、清華大學(xué)等相關(guān)單位開(kāi)展了一系列相關(guān)研究，但大多數(shù)都是針對(duì)焊接工藝本身開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，而關(guān)于該焊接技術(shù)的焊接機(jī)理研究還相對(duì)較少。 中國(guó)攪拌摩擦焊中心的欒國(guó)紅在試驗(yàn)的基礎(chǔ)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(xué)，上海交通大學(xué)等也針對(duì)攪拌摩擦焊過(guò)程中的材料流動(dòng)及焊縫成形開(kāi)展了相關(guān)研究。 國(guó)外對(duì)于攪拌摩擦焊技術(shù)也相當(dāng)重視，自1991年該項(xiàng)技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，國(guó)外針對(duì)該技術(shù)的推廣應(yīng)用，開(kāi)展了各種合金，尤其是鋁合金攪拌摩擦焊工藝優(yōu)化，同時(shí)也有許多學(xué)者針對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)熱機(jī)理、材料流動(dòng)特性以及熱場(chǎng)分布情況開(kāi)展了一系列研究。 Reynolds等人采用實(shí)驗(yàn)標(biāo)記法分析攪拌摩擦焊過(guò)程中材料流動(dòng)的情況，并在測(cè)得的數(shù)據(jù)建立了焊接過(guò)程中材料流動(dòng)形貌圖。Colligan通過(guò)鑲嵌小鋼球作為追蹤材料來(lái)觀察鋁合金攪拌摩擦焊接頭的流動(dòng)形式，研究結(jié)果表明，焊接過(guò)程中材料的流動(dòng)主要是水平面上的，材料在水平面上從前進(jìn)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(dòng)不大，材料的流動(dòng)以層流為主。 除了實(shí)驗(yàn)研究外，還有許多學(xué)者針對(duì)該項(xiàng)工藝，建立了相應(yīng)的產(chǎn)熱模型，模擬熱場(chǎng)分布和流場(chǎng)情況，Seidel和Reynolds建立了一個(gè)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(dǎo)模型。 Colegrove和Shercliff采用商業(yè)CFD（計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）軟件——FLUENT，建立了7075鋁合金攪拌摩擦焊過(guò)程中的三維熱流與材料流動(dòng)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(jìn)入人們的視線，開(kāi)始被關(guān)注。Nandan等建立304奧氏體不銹鋼攪拌摩擦焊過(guò)程中的三維粘塑性流動(dòng)場(chǎng)及溫度場(chǎng)模型。在考慮應(yīng)變速率和取決于溫度的流動(dòng)應(yīng)力的條件下計(jì)算非牛頓粘性金屬的流動(dòng)情況。模擬計(jì)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(dòng)，并且發(fā)現(xiàn)對(duì)流傳熱是最主要的傳熱形式。計(jì)算的溫度場(chǎng)和速度場(chǎng)顯示存在強(qiáng)烈三維狀態(tài)的質(zhì)量和熱量的轉(zhuǎn)移，因此需要進(jìn)行三維模擬計(jì)算。模擬計(jì)算的溫度分布剖面圖與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合良好。
