基本信息
- 项目名称：
- 搅拌摩擦焊过程中材料塑性流动对焊缝成形机制的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 搅拌摩擦焊是一种新型绿色焊接技术，具有优质、绿色、环保，高效的特点。本文通过开展搅拌摩擦焊工艺实验，在实验基础上建立焊接过程数值模型，了解焊接过程中各焊接参数对于焊接最终焊缝成型的影响。模型与焊接实际过程吻合良好，模型可以应用于各种材料的焊接工艺参数优化，节省实验研究成本及周期，加快不同材料工程应用的步伐，缩短研发到工程应用的周期。有利于这项新型焊接技术的工程应用推广。
- 详细介绍：
- 随着科技的进步，人们对于节能环保的要求也越来越高，因此绿色、高效、优质、环保、低能耗的焊接技术是未来的发展方向。由TWI于1991年发明的搅拌摩擦焊技术是一种新型固相焊接技术，被称为“绿色焊接技术”，具有焊接质量高、成本低、环境友好等优点。自发明以来，搅拌摩擦焊技术就取得一系列重大进展，在工程应用中也越来越广泛，目前已经在航空、航天，造船，高速列车等领域都获得了应用。 本文通过采用2A12铝合金进行搅拌摩擦焊工艺实验，调整焊接过程中各项工艺参数，了解各参数对于焊缝最终成形的影响，从而选取合适的焊接工艺参数。在此基础上，通过考虑焊接过程中材料流动特性，将材料流动模型简化为粘塑性不可压缩的稳定层流，流体属于非牛顿流体。焊接过程中只考虑搅拌头轴肩和搅拌针与工件之间的摩擦产热，忽略塑性变形产热，建立搅拌摩擦焊产热的热源模型，应用有限元软件Fluent对搅拌摩擦焊过程的热场及流场进行模拟，分析焊接过程中流场、热场对最终焊缝成形性能的影响，进而得出搅拌摩擦焊过程中温度分布及材料流动对最终焊缝成形的影响机理。 研究发现搅拌摩擦焊过程中温度场高温区偏向于前进侧，而材料流动剧烈区偏向于后退侧。如果增大焊接速度，而搅拌头的旋转速度不能同步匹配增加将容易引起焊接缺陷。 通过研究获得搅拌摩擦焊焊接工艺优化模拟模型，通过模型可以开展各种轻合金搅拌摩擦焊工艺优化研究，能够用于金属焊接工艺优化研究，缩短各种金属焊接研究费用及周期，为这种新型高效绿色焊接技术的技术开发及工程应用推广提供基础。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 开展搅拌摩擦焊工艺及数值模拟研究，进行新型高效绿色焊接技术研究与工程推广。通过进行搅拌摩擦焊工艺试验，确定最佳工艺参数及各参数对于焊缝成形的影响，在此基础上建立热源模型，运用有限元软件对焊接过程的热场和流场分别进行模拟，以此了解焊接过程的各参数对焊缝成形的影响机理。
科学性、先进性及独特之处
- 本项目通过实验、理论分析、数值模拟相结合的手段，通过改变焊接过程中各项工艺参数，了解各项参数对于焊接过程中温度场与材料流动的影响。建立相应的焊接过程模拟模型，考虑焊接过程中的产热机制，材料流动特性，运用有限元软件对焊接过程进行模拟分析，得出各项参数对最终焊缝成形影响的耦合作用。
应用价值和现实意义
- 搅拌摩擦焊是一种新型固相连接技术，具有高效、优质、安全、绿色、环保的特点，是公认的“绿色焊接方法”。开展搅拌摩擦焊的研究，对于该项技术的应用推广、促进节能减排、践行环保低碳具有重要的意义。通过对搅拌摩擦焊热场及材料流动进行研究，进一步深入了解各项工艺参数对最终形成焊缝的质量的影响，揭示这种焊接新技术的焊接机理，进而为优化焊接工艺参数奠定基础，进行该项新型工艺技术开发研究及工程应用优化研究。
学术论文摘要
- 随着科技的进步，人们对于节能环保的要求也越来越高，因此绿色、高效、优质、环保、低能耗的焊接技术是未来的发展方向。搅拌摩擦焊技术是一种新型固相焊接技术，被称为“绿色焊接技术”，具有焊接质量高、成本低、环境友好等优点。自发明以来，在工程应用中也越来越广泛，目前已经在航空、航天，造船，高速列车等领域都获得了应用。 本文通过采用2A12铝合金进行搅拌摩擦焊工艺实验，调整焊接过程中各项工艺参数，了解各参数对于焊缝最终成形的影响，从而选取合适的焊接工艺参数。在此基础上，通过考虑焊接过程中材料流动特性和产热模式，建立搅拌摩擦焊产热的热源模型和材料流动模型，应用有限元软件对搅拌摩擦焊过程的热场及流场进行模拟，分析焊接过程中流场、热场对最终焊缝成形性能的影响，进而得出搅拌摩擦焊过程中温度分布及材料流动对最终焊缝成形的影响机理。 通过研究获得搅拌摩擦焊焊接工艺优化模拟模型，通过模型可以开展各种轻合金搅拌摩擦焊工艺优化研究，能够用于金属焊接工艺优化研究，缩短各种金属焊接研究费用及周期，为这种新型高效绿色焊接技术的技术开发及工程应用推广提供基础。
获奖情况
- “挑战杯”山东大学“临沂市人民医院”学生自主创新基金项目2011年首批立项项目 第十二届“挑战杯”课外学术作品大赛山东大学一等奖
鉴定结果
- 本项目完成了搅拌摩擦焊这种新型焊接工艺过程的模拟，建立的模型对于了解这种焊接过程机理，开展这一新型焊接研究及工程应用推广具有重要意义。项目具有良好的创新性和工程应用前景。
参考文献
- [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.
同类课题研究水平概述
- 目前关于搅拌摩擦焊材料流动对焊缝成形机理的研究还相对比较少，尤其是关于流动对焊缝成形机理的模拟研究，主要有中国搅拌摩擦焊中心、哈尔滨工业大学、清华大学等相关单位开展了一系列相关研究，但大多数都是针对焊接工艺本身开展实验研究，而关于该焊接技术的焊接机理研究还相对较少。 中国搅拌摩擦焊中心的栾国红在试验的基础上，初步总结了搅拌摩擦焊接头塑化金属的流变特性。 此外，清华大学，上海交通大学等也针对搅拌摩擦焊过程中的材料流动及焊缝成形开展了相关研究。 国外对于搅拌摩擦焊技术也相当重视，自1991年该项技术问世以来，国外针对该技术的推广应用，开展了各种合金，尤其是铝合金搅拌摩擦焊工艺优化，同时也有许多学者针对该项技术的产热机理、材料流动特性以及热场分布情况开展了一系列研究。 Reynolds等人采用实验标记法分析搅拌摩擦焊过程中材料流动的情况，并在测得的数据建立了焊接过程中材料流动形貌图。Colligan通过镶嵌小钢球作为追踪材料来观察铝合金搅拌摩擦焊接头的流动形式，研究结果表明，焊接过程中材料的流动主要是水平面上的，材料在水平面上从前进侧向后退侧转移，并在后退侧沉积，而垂直方向材料流动不大，材料的流动以层流为主。 除了实验研究外，还有许多学者针对该项工艺，建立了相应的产热模型，模拟热场分布和流场情况，Seidel和Reynolds建立了一个关于薄板的粘性的非牛顿流体环绕圆柱体的二维全耦合热传导模型。 Colegrove和Shercliff采用商业CFD（计算流体动力学）软件——FLUENT，建立了7075铝合金搅拌摩擦焊过程中的三维热流与材料流动模型。 此外，除了铝合金、镁合金等轻合金的搅拌摩擦焊研究以外，目前关于这一新型焊接技术的其他材料焊接研究也已经进入人们的视线，开始被关注。Nandan等建立304奥氏体不锈钢搅拌摩擦焊过程中的三维粘塑性流动场及温度场模型。在考虑应变速率和取决于温度的流动应力的条件下计算非牛顿粘性金属的流动情况。模拟计算结果表明，在搅拌头的表面附近存在明显的粘塑性金属流动，并且发现对流传热是最主要的传热形式。计算的温度场和速度场显示存在强烈三维状态的质量和热量的转移，因此需要进行三维模拟计算。模拟计算的温度分布剖面图与实验测量值吻合良好。
