答辩博士：吉玲
指导教师：左敦稳 教授
论文题目：航空铝合金微细搅拌摩擦连接技术基础研究
答辩委员会：
主席：王耀华 教授 中国人民解放军陆军工程大学
委员：孙序泉 研究员 南京数控机床有限公司
袁军堂 教授 南京理工大学
左敦稳 教授 南京航空航天大学
朱永伟 教授 南京航空航天大学
徐 锋 教授 南京航空航天大学
孙玉利 教授 南京航空航天大学
秘书：黎向锋 教授 南京航空航天大学
答辩时间：2018年12月15日9:00
地 点：南航明故宫校区15#341
针对航空航天领域在无人机、卫星、火箭制造中对板材连接技术的新需求，本文将实验研究与数值模拟相结合，解决1mm及以下铝合金板材的连接问题，设计制造一台MFSJ设备及相应的搅拌头，找到最佳工艺参数，使接头的力学性能达到母材的85%以上，对实验过程进行仿真，为MFSJ技术的应用提供一定的技术支持。
本文主要完成的工作如下：
（1）微细搅拌摩擦连接过程中的有限元分析
通过有限元分析软件模拟铝合金MFSJ过程，建立了热源模型，通过搅拌头轴肩直径建立与净热输入之间的关系，分别得到1mm、0.8mm、0.5mm厚6061铝合金薄板在不加热条件下，所需的最小轴肩直径的值；模拟得到的温度场和用热电偶法测得的温度场基本一致，采用红外热成像法对温度场进行了检测，得到的瞬间温度场的图像与模拟的温度场接近；对工件变形情况进行了分析，发现在MFSJ之后进行卸载时，工件变形比先冷却后卸载的变形要大，随进给速度的提高，变形程度呈下降趋势；对MFSJ过程中热影响区的材料流动情况进行了热流耦合，发现板材表面的流动性最好，下端的流动性最差，是容易形成孔洞的原因；对板材进行加热，材料的流动性明显增强。
（2）微细搅拌摩擦连接专用设备的研制
首次设计并制造了一台MFSJ设备，稳定性良好，通过空转及工作状态时的振动测试，该设备运行状态良好；并对工作台进行了改造，可进行辅助加热，具有很好的隔热效果；设计制造出了高强度、高韧性的特制搅拌头，其轴肩仅为2mm，搅拌针直径仅为1mm；对设备的振动性能进行了测试及分析，并对设备的纵向、横向和轴向精度进行了评定，均在良好的范围内。
（3）微细搅拌摩擦连接工艺研究
通过Matlab分析高转速情况下表面弧纹的变化特征，得到转速与表面形貌的变化规律；通过大量的基础实验，发现材料的连接性能有差异，对计算得到的MFSJ极限轴肩直径的尺寸进行了实验验证，并对辅助加热条件下的MFSJ实验数据与常温下进行了对比，发现在加热温度为200℃时，连接区的各项性能达到最佳；通过正交试验分析法，分别对1mm、0.8mm、0.5mm厚6061铝合金进行MFSJ实验，得到了最佳MFSJ工艺参数。
（4）MFSJ过程作用力研究
通过测量得到各组参数下纵向、横向及轴向作用力的值，根据数据对方程进行拟合，得到Fx、Fy和Fz与转速、进给速度、板厚之间的关系；纵向、横向及轴向力均存在周期性的变化，并且一个周期几乎等于搅拌头旋转一周的时间，周期性与进给速度、连接材料以及它们的厚度无关，只取决于转速；随着进给速度的增加，所受作用力逐渐增加。但随着转速的增加，作用力呈现先减小后增大的趋势；提高加热温度会使轴向力变小，但对轴向力的变化规律没有任何影响。
（5）MFSJ接头微观组织与性能测试
对辅助加热的板材进行MFSJ实验，对截面进行微观组织分析，发现热影响区和连接核区相比母材晶粒发生了细化，热机影响区呈典型细长的和再结晶形貌，产生了等轴晶；对沿连接缝垂直方向截面的试样进行硬度测试，发现连接核区和热影响区的硬度均比母材小，整体呈W形，沿板厚方向的硬度变化不大；对加热后进行MFSJ的6061铝合金板材进行拉伸性能的测试，发现拉伸性能达到母材的85%；对MFSJ的弯曲性能、摩擦磨损性能、电化学腐蚀性能分别进行了测试，弯曲角度达到45°，试样截面主要为粘着磨擦，试样截面耐磨性好，耐腐蚀性好。
