TC4鈦合金攪拌摩擦焊流場及動態(tài)再結(jié)晶過程數(shù)值模擬.pdf

1、攪拌摩擦焊作為一種優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能和環(huán)保的固相連接方法,在航空、航天、船舶以及車輛制造等領(lǐng)域均有所應(yīng)用,具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,國內(nèi)外很多學(xué)者已經(jīng)對其進(jìn)行了一系列實驗研究,但是攪拌摩擦焊過程是一個摩擦生熱、金屬流動和微觀組織轉(zhuǎn)變相互耦合共同作用的過程,很多物理過程和機制通過實驗手段難以進(jìn)行直觀的觀測和研究,而數(shù)值模擬的方法不僅降低了成本,而且可以對整個焊接過程進(jìn)行動態(tài)觀測,對實際生產(chǎn)過程有重要的參考價值。
　　本文首先采用數(shù)值模

2、擬的方法建立了攪拌摩擦焊的熱源模型,使用有限元分析軟件MSC.Marc并結(jié)合Fortran語言對其二次開發(fā),實現(xiàn)了對焊接過程中各個階段的溫度場模擬。模擬時將焊接過程分為三個階段,攪拌針扎入階段、預(yù)熱階段以及攪拌頭前進(jìn)階段。焊接參數(shù)選取旋轉(zhuǎn)速度為800r/min,焊接速度為0.6m/s。在此參數(shù)下發(fā)現(xiàn)當(dāng)預(yù)熱時間為15s時,攪拌頭周圍的溫度分布基本達(dá)到了焊接所需溫度,前進(jìn)過程中溫度場也基本保持穩(wěn)定狀態(tài)。從模擬結(jié)果可以看出,整體的溫度場分布呈

3、橢圓形狀,而且是前面較后面的溫度分布區(qū)域更小、等溫線分布更加緊密,這主要與材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)。
　　隨后在溫度場模擬的基礎(chǔ)上使用有限元分析軟件DEFORM-3D對焊接過程中攪拌頭周圍金屬的流動進(jìn)行了數(shù)值模擬,參數(shù)選取參考溫度場模擬結(jié)果。對模擬結(jié)果進(jìn)行整體分析發(fā)現(xiàn)攪拌頭周圍金屬的流動整體呈現(xiàn)漏斗狀,與攪拌頭的形狀類似,而且金屬的流動關(guān)于焊縫中心并不對稱。對焊縫沿厚度方向的結(jié)果分析得到,節(jié)點的流動速度隨著離焊縫中心距離的增加成線性增加

4、,并且隨著焊縫深度的增加,材料的流動能力逐漸越弱。對焊接參數(shù)對金屬的流動的影響進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)速度和焊接速度的大小影響焊接過程的熱輸入,在一定范圍內(nèi),隨著旋轉(zhuǎn)速度的增加,熱輸入量增加,金屬的流動能力增強,焊縫成形就較好;在一定范圍內(nèi),隨著焊接速度的降低,也表現(xiàn)出類似的特征。
　　最后對焊接接頭焊核區(qū)的動態(tài)再結(jié)晶過程進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了不同應(yīng)變和應(yīng)變率下焊核區(qū)動態(tài)再結(jié)晶晶粒的變化規(guī)律。結(jié)果顯示隨著應(yīng)變的增大,動態(tài)再結(jié)晶晶粒平均尺寸