攪拌摩擦焊準穩(wěn)態(tài)熱流耦合數值模擬.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,其焊接溫度場與材料流動場可近似認為達到穩(wěn)定狀態(tài),因此可通過對該階段焊件的溫度分布與材料流動行為進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)生的相對滑動使得流動速度始終小于攪拌頭的旋轉線速度。由于無法獲得能有效描述該壁面上發(fā)生的相對滑動現象的壁面條件,眾多基于流體力學的仿真分析并不能有效反映出焊縫金屬真實的流動狀態(tài)。通過分析攪拌頭與焊縫金屬之間的滑動

2、現象,本文建立了描述該現象的粘滯滑動數學模型以及描述熱效應與材料流動相耦合的熱流耦合數學模型,并應用COMSOL Multiphysics有限元軟件建立了基于流體力學的攪拌摩擦焊準穩(wěn)態(tài)熱流耦合數值模型。采用該模型分析了6061-T6鋁合金準穩(wěn)態(tài)焊接過程中焊件的溫度分布與材料流動行為以驗證該數值模型模擬所得溫度場和材料流動場的可靠性以及粘滯滑動模型的有效性,并最后探討了滑動長度對材料流動場的影響。
　　模擬結果表明,模型所得溫度場與

3、實驗實測數據吻合,最高溫度為781K,低于材料熔點,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)域出現在攪拌頭后方軸肩內。此外,軸肩對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,且呈現出前進側溫度高于返回側的不對稱性。

4、　　對于材料流動場,粘滯滑動壁面條件下的材料流動速度比滑動壁面條件時略小、粘度略高,但橫、縱截面速度與粘度分布大致相同,最大速度出現在90％軸肩半徑處、小于攪拌頭旋轉線速度,表明存在滑動現象。滑動長度增大,材料流動速度降低,粘度增高,流動區(qū)域半徑減小。粘滯滑動壁面條件下的材料流動規(guī)律與滑動壁面條件大致相同,焊縫材料僅在軸肩范圍內流動,一部分隨攪拌頭旋轉繞流,一部分堆積在返回側,其余部分沉積在攪拌頭后方;滑動長度增大,材料可流動半徑減小、