攪拌摩擦焊準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱流耦合數(shù)值模擬.pdf

1、攪拌摩擦焊穩(wěn)定焊接階段作為焊縫成形的主要階段,其焊接溫度場(chǎng)與材料流動(dòng)場(chǎng)可近似認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),因此可通過對(duì)該階段焊件的溫度分布與材料流動(dòng)行為進(jìn)行仿真分析以探究焊縫的成形。
　　攪拌摩擦焊接過程中,焊縫金屬材料與攪拌頭之間發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)使得流動(dòng)速度始終小于攪拌頭的旋轉(zhuǎn)線速度。由于無法獲得能有效描述該壁面上發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)現(xiàn)象的壁面條件,眾多基于流體力學(xué)的仿真分析并不能有效反映出焊縫金屬真實(shí)的流動(dòng)狀態(tài)。通過分析攪拌頭與焊縫金屬之間的滑動(dòng)

2、現(xiàn)象,本文建立了描述該現(xiàn)象的粘滯滑動(dòng)數(shù)學(xué)模型以及描述熱效應(yīng)與材料流動(dòng)相耦合的熱流耦合數(shù)學(xué)模型,并應(yīng)用COMSOL Multiphysics有限元軟件建立了基于流體力學(xué)的攪拌摩擦焊準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱流耦合數(shù)值模型。采用該模型分析了6061-T6鋁合金準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)焊接過程中焊件的溫度分布與材料流動(dòng)行為以驗(yàn)證該數(shù)值模型模擬所得溫度場(chǎng)和材料流動(dòng)場(chǎng)的可靠性以及粘滯滑動(dòng)模型的有效性,并最后探討了滑動(dòng)長度對(duì)材料流動(dòng)場(chǎng)的影響。
　　模擬結(jié)果表明,模型所得溫度場(chǎng)與

3、實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合,最高溫度為781K,低于材料熔點(diǎn),材料未熔化;焊件溫度分布呈以攪拌頭為中心并向外輻射的橢圓狀,攪拌頭前端高溫區(qū)域較后端要小、溫度梯度更大,最高溫區(qū)域出現(xiàn)在攪拌頭后方軸肩內(nèi)。此外,軸肩對(duì)焊件溫度分布的影響明顯大于攪拌針,這使得焊件溫度隨著與軸肩距離的增加而逐漸減小,該特征在焊縫橫截面上表現(xiàn)尤為明顯:橫截面溫度分布呈與焊縫宏觀組織形貌相似的碗型,該碗型上寬下窄、溫度上高下低,且呈現(xiàn)出前進(jìn)側(cè)溫度高于返回側(cè)的不對(duì)稱性。

4、　　對(duì)于材料流動(dòng)場(chǎng),粘滯滑動(dòng)壁面條件下的材料流動(dòng)速度比滑動(dòng)壁面條件時(shí)略小、粘度略高,但橫、縱截面速度與粘度分布大致相同,最大速度出現(xiàn)在90％軸肩半徑處、小于攪拌頭旋轉(zhuǎn)線速度,表明存在滑動(dòng)現(xiàn)象?；瑒?dòng)長度增大,材料流動(dòng)速度降低,粘度增高,流動(dòng)區(qū)域半徑減小。粘滯滑動(dòng)壁面條件下的材料流動(dòng)規(guī)律與滑動(dòng)壁面條件大致相同,焊縫材料僅在軸肩范圍內(nèi)流動(dòng),一部分隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)繞流,一部分堆積在返回側(cè),其余部分沉積在攪拌頭后方;滑動(dòng)長度增大,材料可流動(dòng)半徑減小、