大深宽比搅拌摩擦焊数字化设计与过程仿真

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1、硕士学位论文大深宽比搅拌摩擦焊数字化设计与过程仿真NUMERICALDESIGNANDPROCESSMODELINGOFHIGHDEPTH-TO-WIDTHRATIOFRICTIONSTIRWELDING谢聿铭哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG457.1学校代码：10213国际图书分类号：621.791密级：公开工学硕士学位论文大深宽比搅拌摩擦焊数字化设计与过程仿真↑黑体2号字）硕士研究生：谢聿铭导师：黄永宪副教授申请学位：工学硕士学科：材料加工工程所在单位：材料科学与工程学院答辩日期：2018年6月26日授予学位

2、单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TG457.1U.D.C.:621.791TimesNewRoman小4字）DissertationfortheMasterDegreeinEngineering↑TimesNewRoman小2号字）NUMERICALDESIGNANDPROCESSMODELINGOFHIGHDEPTH-TO-WIDTHRATIOFRICTIONSTIRWELDINGCandidate:YumingXieSupervisor:Assoc.Prof.YongxianHuangAcademicDe

3、greeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:MaterialsProcessingEngineeringAffiliation:SchoolofMaterialScienceandEngineeringthDateofDefence:June26,2018Degree-Conferring-Institution:HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要搅拌摩擦焊系固相连接技术，该方法焊前无需额外清理、焊接过程环保节能、焊后接头性能优异，

4、自发明以来受到了广泛关注和研究。然而，在大深宽比铝合金空心夹层曲面结构的高强度可靠连接等特定焊接需求下，传统搅拌摩擦焊适用的搅拌针长与轴肩直径比值0.33的焊具难以实现该两段空心夹层结构件的单次焊接成形。为解决上述问题，本文提出了大深宽比搅拌摩擦焊方法，焊具采用搅拌针长与轴肩直径比值高达0.6的反传统设计，辅以全新设计的焊具拓扑结构以实现特定需求下的搅拌摩擦焊。本文基于FLUENT与ANSYS建立了大深宽比搅拌摩擦焊顺序流固耦合模型，通过焊具受力断裂失效分析、焊缝缺陷预测两方面对焊具拓扑结构与焊接参数进行了高通量筛选优化，结合试

5、验手段从模拟材料流动方面对接头力学性能进行最优化设计，从强化相转变动力学、晶粒组织演变两角度定量分析了大深宽比搅拌摩擦焊接头微观组织演变，构建了全过程理论自洽设计体系，实现了工艺-焊具-性能-组织的联合设计。本文通过建立三维流固耦合分析模型，对大深宽比搅拌摩擦焊焊具拓扑结构与焊接参数高通量筛选优化。焊具受力与断裂失效模型分析发现焊具表面螺纹结构和铣平面结构均可有效增加材料塑性流动，但螺纹结构导致焊具根部应力集中，在相同焊接参数下具有更大的等效应力，增加焊具断裂风险。焊缝缺陷预测分析发现相较于螺纹结构，铣平面结构更能有效地降低缺陷

6、发生几率，具有更强地促进材料流动的效果，采用螺纹带三铣平面的搅拌针结构，即将铣平面和螺纹结构相结合，可获得无缺陷接头的工艺窗口最大化。通过高通量筛选优化，确定了对于W6高速钢焊具，采用螺纹带三铣平面搅拌针结构，焊接参数为800rpm，30mm/min可在避免焊具发生断裂的前提下，获得理论最佳焊缝成形，并通过验证试验得以证明。对大深宽比搅拌摩擦焊接头流动特征与力学性能进行了优化。高通量筛选结果表明H13工具钢相对W6高速钢焊具具有更好的强韧平衡性，可实现更宽广的无缺陷接头成形工艺参数区间。螺纹和铣平面设计均有效地增强了材料塑性流动

7、，使焊具周边材料流动速度、等效应变速率产生了较大的增幅，其中螺纹结构的存在在焊缝前进侧热机影响区和热影响区分界线处产生了显著的波动性特征，铣平面结构获得了等效应变速率在螺纹牙顶处的单顶双峰特征；通过响应模型分析，发现在峰值温度648K，应变速率151s-1时可在热输入最低的情况下消除孔洞状结构，并最大程度抑制接头第二相的粗化，通过与模拟结果对照发现，800rpm，300mm/min为实际最优解，并借助拉伸测试证实了该模拟结果，接头拉伸强度达到265MPa，-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文达到母材的86%，延伸率达到8.1%，

8、同时发现该接头无热影响区，抑制了影响接头力学性能的最大薄弱环节。对大深宽比搅拌摩擦焊接头微观组织演变特征进行了分析。通过电子背散射衍射技术观测晶粒组织证实了300mm/min下接头不存在热机影响区、热影响区。焊接速度300mm/min下焊核区产生了以粗化的变形再