超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接熱過(guò)程及材料流動(dòng)的數(shù)值分析.pdf

1、攪拌摩擦焊接(FSW)作為一種固相焊接工藝，為了產(chǎn)生足夠的熱量，在焊接時(shí)需要施加很大的軸向下壓力，造成焊接載荷（包括軸向壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩及前進(jìn)阻力）大、裝夾要求嚴(yán)、焊接速度低和攪拌頭易磨損斷裂等問(wèn)題。為了解決上述問(wèn)題，研發(fā)了一種在攪拌頭前方待焊工件上施加超聲振動(dòng)能量的超聲振動(dòng)強(qiáng)化攪拌摩擦焊接(UVeFSW)新工藝。研究表明在攪拌摩擦焊接過(guò)程中施加超聲振動(dòng)能量能夠減少材料塑性變形所需的熱量，達(dá)到改善焊接質(zhì)量、降低焊接載荷并提高焊接速度的工藝

2、效果。然而，超聲振動(dòng)對(duì)FSW焊接熱過(guò)程和塑性材料流動(dòng)的影響機(jī)理仍未闡明。建立UVeFSW焊接過(guò)程的數(shù)理模型，分析施加超聲對(duì)焊接熱過(guò)程和塑性材料流動(dòng)的影響，對(duì)于揭示UVeFSW焊接工藝機(jī)理，闡明施加超聲振動(dòng)能量改變塑性材料屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力的物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化與匹配，對(duì)于豐富FSW焊接工藝?yán)碚?，?shí)現(xiàn)超聲能量在攪拌摩擦焊接過(guò)程中的有效利用，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價(jià)值。
　　為了深入理解UVeFSW的焊接物理機(jī)制，首先針

3、對(duì)FSW焊接下壓、停留和焊接的全過(guò)程建立熱流耦合模型，采用Fluent軟件的動(dòng)態(tài)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，基于鋪層算法實(shí)現(xiàn)了攪拌頭下壓過(guò)程的熱流耦合模擬，分析了不同階段的產(chǎn)熱、溫度分布、塑性材料流動(dòng)和焊接力矩的變化規(guī)律。
　　隨后，基于超聲軟化的宏觀現(xiàn)象，引入聲軟化百分?jǐn)?shù)，建立了UVeFSW焊接過(guò)程的唯象模型，模型考慮了超聲的軟化作用和熱作用，定量分析了UVeFSW焊接過(guò)程中攪拌頭附近的傳熱及材料流動(dòng)情況，并對(duì)比分析了施加超聲振動(dòng)的UVeF

4、SW和常規(guī)FSW焊接時(shí)的產(chǎn)熱、傳熱和材料流動(dòng)情況。結(jié)果表明，施加超聲振動(dòng)時(shí)攪拌頭與工件接觸界面的產(chǎn)熱稍有下降;同時(shí)，施加超聲振動(dòng)后攪拌頭附近材料粘度降低，材料流動(dòng)性增強(qiáng)，塑性材料流動(dòng)范圍增大。但超聲軟化作用增大了產(chǎn)熱區(qū)域，同時(shí)超聲的熱作用提供了部分產(chǎn)熱，抵消了軟化作用導(dǎo)致的產(chǎn)熱下降，總體上施加超聲振動(dòng)對(duì)FSW焊接溫度場(chǎng)和熱循環(huán)曲線影響不大。UVeFSW和常規(guī)FSW焊接過(guò)程的溫度場(chǎng)和熱循環(huán)基本一樣。
　　基于位錯(cuò)熱激活理論，分析了超

5、聲振動(dòng)對(duì)塑性變形材料位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的影響，進(jìn)而修正了Sheppard-Wright粘塑性本構(gòu)關(guān)系，建立了考慮超聲軟化效應(yīng)的粘塑性本構(gòu)模型，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定。修正的本構(gòu)模型描述了超聲軟化作用與超聲能量密度、材料特性和過(guò)程參量（溫度，應(yīng)變速率）之間的定量關(guān)系。施加超聲振動(dòng)能量降低了材料的塑性變形激活能，使得材料更容易發(fā)生塑性變形，從而降低了屈服應(yīng)力和流動(dòng)應(yīng)力。
　　在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用修正的考慮超聲軟化效應(yīng)的材料本構(gòu)關(guān)系，建立了耦合超聲

6、能場(chǎng)的UVeFSW數(shù)值分析模型。分析了UVeFSW焊接過(guò)程中超聲聲壓的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律、聲場(chǎng)能量分布、焊接產(chǎn)熱、傳熱和塑性材料流動(dòng)情況。定量分析了超聲聲壓/聲場(chǎng)能量分布與UVeFSW焊接時(shí)熱流密度、溫度場(chǎng)和材料流場(chǎng)之間的相互作用規(guī)律，初步揭示了超聲振動(dòng)改善焊接接頭組織與性能的物理機(jī)制。開展了相應(yīng)的工藝實(shí)驗(yàn)，獲得了焊縫橫斷面、焊接力矩和典型位置熱循環(huán)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好。
　　通過(guò)UVe

7、FSW耦合模型對(duì)焊接過(guò)程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明攪拌頭前方的強(qiáng)超聲能量與塑性變形材料相互作用，預(yù)軟化了材料，降低了塑性變形產(chǎn)熱率，提高了攪拌頭附近材料的塑性流動(dòng)性，使得攪拌區(qū)擴(kuò)大，材料流動(dòng)速度增加。但施加超聲對(duì)溫度場(chǎng)和熱循環(huán)影響不大，這是因?yàn)殡m然塑性變形產(chǎn)熱率降低，但塑性變形區(qū)增大，所以塑性變形功產(chǎn)熱變化不大。另外，對(duì)UVeFSW耦合模型的計(jì)算結(jié)果與唯象模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算聲場(chǎng)，并采用基于熱激活理論修正的材料本構(gòu)關(guān)系能