載流-攪拌摩擦焊攪拌工具的設(shè)計(jì)制造方法和磨損性能.pdf

1、本課題研究來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目:載流-攪拌摩擦焊接熱效應(yīng)及其組織結(jié)構(gòu)變化規(guī)律(51075413)。
　　載流攪拌摩擦焊接是針對(duì)傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接存在的產(chǎn)熱不足而造成焊接范圍局限的問(wèn)題而提出的。作為載流攪拌摩擦焊接的核心技術(shù)之一,攪拌工具的設(shè)計(jì)對(duì)塑性材料的流動(dòng)和接頭的力學(xué)性能緊密相關(guān)。在攪拌摩擦焊接過(guò)程中,攪拌工具承受高溫、頂鍛壓力、摩擦扭矩、行進(jìn)阻力等聯(lián)合作用,長(zhǎng)時(shí)間加工會(huì)導(dǎo)致攪拌工具失效,縮短壽命。磨損會(huì)對(duì)攪拌工具的壽命產(chǎn)生

2、影響,是攪拌工具失效的主要方式之一。攪拌工具的磨損會(huì)影響焊接效率、生產(chǎn)成本和使用壽命。載流攪拌摩擦焊接結(jié)合了電阻焊和傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的優(yōu)點(diǎn),創(chuàng)新地形成了一種新的復(fù)合熱源焊接方法,有望改善焊接過(guò)程中攪拌工具的工作環(huán)境。本課題針對(duì)載流攪拌摩擦焊接過(guò)程的攪拌工具進(jìn)行了設(shè)計(jì)制造,并以ZK60鎂合金為焊接材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。
　　設(shè)計(jì)了5種具有不同幾何特征的攪拌工具:水平軸肩四平面圓柱螺紋攪拌針攪拌工具(1＃)、水平軸肩圓柱螺紋攪拌針

3、攪拌工具(2＃)、內(nèi)凹同心圓凹槽軸肩同心環(huán)槽圓錐螺紋攪拌針攪拌工具(3＃)、內(nèi)凹軸肩圓錐螺紋攪拌針攪拌工具(4＃)和內(nèi)凹軸肩三斜面圓錐螺紋攪拌針攪拌工具(5＃)。應(yīng)用增材制造技術(shù)進(jìn)行攪拌工具的制造。分析了理想情況下攪拌工具的承載情況,結(jié)果表明,下壓階段攪拌工具只承受沿軸線的正壓力和與旋轉(zhuǎn)方向相反的摩擦扭矩,且隨著下壓深度的增加,正壓力和摩擦扭矩逐漸增大;穩(wěn)定焊接階段攪拌針側(cè)面除了前半部分承受壓力和扭矩,還會(huì)承受與焊接方向相反的阻力以及由

4、它產(chǎn)生的彎矩。當(dāng)焊接過(guò)程進(jìn)入穩(wěn)定階段時(shí),攪拌工具承受的載荷只與軸肩和攪拌針的尺寸有關(guān)。
　　攪拌工具的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的熱機(jī)械影響區(qū)由于經(jīng)歷的熱影響和攪拌作用不同,微觀組織的晶粒尺寸和形態(tài)不同;水平軸肩圓柱螺紋攪拌工具(2＃)在兩種焊接速度下(33mm/min和50mm/min),得到的焊縫表面光滑、飛邊較少,焊合區(qū)微觀組織細(xì)小均勻、無(wú)方向性,綜合力學(xué)性能最優(yōu)。
　　正交試驗(yàn)法優(yōu)化載流-攪拌摩擦焊工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)速

5、度、焊接速度和外加電流三組工藝參數(shù)對(duì)接頭的力學(xué)性能都有影響,其中外加電流的影響最大,接著依次為攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度;對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的方差分析結(jié)果表明,在顯著性水平為0.2的條件下,外加電流和攪拌工具旋轉(zhuǎn)速度對(duì)焊接結(jié)果的影響顯著,而焊接速度的影響相對(duì)較小;優(yōu)化后的載流攪拌摩擦焊工藝參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度1400r/min,焊接速度72 mm/min,外加電流30A。在優(yōu)化工藝參數(shù)組合下,焊縫的抗拉強(qiáng)度達(dá)到母材的82.6％,延伸率達(dá)到5.36％。

6、
　　基于Archard磨損理論,通過(guò)數(shù)值模擬方法分析載流攪拌摩擦焊接ZK60鎂合金過(guò)程中外加電流對(duì)攪拌工具磨損的影響。結(jié)果表明,隨著外加電流從30A增加到150A,5種攪拌工具的最大磨損深度均呈現(xiàn)出逐漸減小趨勢(shì);其中具有柱狀攪拌針的攪拌工具(1＃、2＃)在5組外加電流作用下的最大磨損深度均比錐形攪拌工具大(3＃、4＃、5＃),最大磨損深度的減小速率經(jīng)歷了較快到平緩的變化過(guò)程;4＃和5＃攪拌工具的內(nèi)凹軸肩外圍表面與塑性材料接觸充分