毕业论文分享-基于MORFEO的对搅拌摩擦焊流动性及热过程的研究

基于MORFEO的对搅拌摩擦焊流动性及热过程的研究

Research on flowing patterns and thermal cycles of friction stir welding based on MORFEO

学科专业：材料加工工程

研 究 生：胥 妍

指导教师：杨新岐 教授

天津大学材料科学与工程学院

二零一三年十二月

摘要

   本文采用焊接有限元分析软件 MORFEO 对圆柱形和圆锥形两种搅拌针作用时，4mm 厚2024-T3 铝合金薄板对接接头搅拌摩擦焊的不同厚度水平面材料流动和焊接热过程进行了数值分析，并对流动性模拟结果进行了铜箔标记试验验证。为了研究搅拌摩擦焊接头界面的材料流动特点，同时设计了以2024-T3 和7075-T6 两种铝合金作为母材的T 型接头和搭接接头形式的标记试验进行分析。

在对两种搅拌针进行不同厚度材料流动的模拟研究时，设计了焊接速度为80mm/min，旋转速度为500 rpm, 600 rpm, 800 rpm 和980 rpm 四组参数进行分析。结果表明，当选用圆锥形搅拌针在转速为600 rpm 时，工件各个厚度层面都体现了良好的材料流动性。具体表现为，前进侧质点绕过搅拌针前端向后方运动，后退侧质点被搅拌针甩至后方，但是不同层面上搅拌针后端两侧的质点分布都较均匀。而在其他焊接条件下，只有靠近工件表面的质点可以均匀分布，越靠近搅拌针底端的质点则几乎都沉积在后退侧，使搅拌针后方的前进侧留下了大量的空洞。在使用铜箔作为标记材料的对接试验中，转速为600 rpm 时采用圆锥形搅拌针同样可以得到与模拟相类似的结果。并且发现铜箔发生变形处位于焊接的热力影响区，此处的晶粒被明显拉长。

  在采用 T 型接头的标记试验中，发现在壁板上的材料有类似于对接接头的横向流动特点，而壁板与筋板则体现出了一种相互交错的轴向流动特点。这种特点也使得实际T 型接头的圆角区容易出现流动“死区”，造成隧道或孔洞等缺陷。搭接接头中的材料主要是轴向流动，并且在前进侧上下两板的材料都倾向于向焊缝中心线上侧运动，而上板在后退侧的材料向中心线下侧流动，但其下板材料则由于搅拌针和周围温度较低材料的挤压作用向上板流动。

  焊接速度为 80 mm/min, 转速600 rpm 时对4 mm 厚2024-T3 铝合金薄板对接工件的热过程模拟，结果表明焊接开始前期搅拌头周围急剧产热，峰值温度较高，而随着焊接进行逐渐步入稳定阶段，该峰值温度略有降低，升温过程也趋于平缓。

搅拌头周围工件上的温度分布呈现出一个前端较窄，后端较宽的卵形等温区，前端温度区间比后端温区窄。通过使用MORFEO 对搅拌摩擦焊流动性和热过程的模拟分析，可以得到与实际焊接相符合的研究结果。而其模块化的参数设定以及便于修改的材料文件，使得该模拟过程可以不依赖于试验测量进行，证明该软件对于搅拌摩擦焊具有一定的指导意义。

关键词： 搅拌摩擦焊；有限元分析；流动性；铜箔标记试验； 热过程

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