搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型-朱智斌

《搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型-朱智斌》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、18·试验与研究·焊接技术第43卷第8期2014年8月文章编号：1002－025X(2014)08-0018-04搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型朱智斌11，2113，崔俊华，郭正华，冯占荣，赖晓春（1．南昌航空大学轻合金加工科学与技术国防重点学科实验室，江西南昌330063；2．西北工业大学，陕西西安710072；3．江西省高等院校科技开发办公室，江西南昌330063）摘要：针对搅拌摩擦焊稳态焊接过程中搅拌头与焊缝材料出现相对滑动的现象，提出对该物理现象进行描述的数学模型，并应用COMSOLMultiphysics有限元软件建立

2、基于流体力学的搅拌摩擦焊黏滞滑动三维流场数值模型，对6061－T6铝合金进行搅拌摩擦焊接模拟。模拟结果表明，采用该黏滞滑动数学模型获得了与实际吻合的温度场和速度场，验证了该黏滞滑动模型的有效性。关键词：COMSOLMultiphysics；搅拌摩擦焊；黏滞滑动；材料流动中图分类号：TG456．9；O242.1文献标志码：BDOI:10.13846/j.cnki.cn12-1070/tg.2014.08.007生接触的搅拌头壁面上流动的速度来实现的，且将0引言该壁面称为黏滞滑动壁。黏滞滑动壁是一个能有效搅拌摩擦焊（FSW，Fric

3、tionStirWelding）是一表征壁面运动速度和流体在与壁面作用并出现黏滞种1991年发明于英国的固相连接方法［1］滑动后流动速度的物理量。。在焊接过程中搅拌头与焊件之间的相互作用以及材料自身变材料在表面s上运动的切向速度称为滑动速度，形的作用使金属达到高黏度、高温软化状态（其最根据表面s上总的切向动量通量的关系，其运动的高温度达到材料熔点的80％左右）并发生流动，而滑动速度可表示为：且焊缝金属在流动过程中存在搅拌头与焊缝接触材1us＝［uλ＋（1－σv）uλ＋σvuw］，（1）2料间的相对滑动［2－3］。因此，本文将建立

4、对该黏滞滑其泰勒展式为：动现象进行描述的数学模型，并将应用COMSOL鄣u2鄣2uMultphysics有限元软件建立基于流体力学的数值模us＝12us＋λ22+λ222+…2+1σvuw+2鄣ns2鄣ns2型，对6061－T6铝合金FSW过程中焊件温度分布和鄣u2鄣2u1λ焊缝材料的黏性流动行为仿真分析，并验证该黏滞（1－σv）2us＋λ2鄣n2+2鄣n22+…2，（2）2s2s滑动模型的有效性。式中：us为滑动速度；uλ为分子以一定平均自由行程通过表面的速度；σv为切向动量协调系数；uw为壁1黏滞滑动数学模型面的运动速度；λ

5、为分子平均自由行程。FSW过程中焊缝材料在流动时不仅存在材料与所以，由式（1）和式（2）可以得到材料因滑材料间的相互作用，也存在材料与搅拌头壁面间的动而产生的速度变化量：作用。针对焊接过程中搅拌头与焊缝材料间存在的鄣u2鄣2uus-uw=2-σv2λ22+λ222+…2。（3）相对滑动现象，建立了描述该现象的黏滞滑动数学σv鄣ns2鄣ns模型。应用该模型，是通过确定焊缝材料在与其发根据Navier-Stokes方程和库埃塔流动法则［4］，令Δu=us-uw，式（3）可表示为：收稿日期：2014-02-25Δu=us-uw=2-σ

6、vλτs，（4）基金项目：江西省青年科学基金（20132BAB216024）σvμWeldingTechnologyVol．43No．8Aug.2014·试验与研究·19姨1姨2-σv姨姨因此，令Ls=λ，可得：姨姨Q1姨m姨姨姨姨姨姨姨σv姨姨1RT姨姨μ=asinh姨姨γ觶e姨姨姨3αγ觶，（9）姨姨姨姨姨姨姨3姨姨2-σλL姨姨姨姨u=u+vτ=u+sτ，（5）姨姨姨姨swsw姨姨A姨姨σμμ姨姨姨姨v式（6）～（9）中：ρ为密度；U为速度矢量；p为压力；I式中：μ为流体黏度；Ls为材料在壁面上的滑动距离。为单位矩阵；μ为

7、黏度；F为外力；C为比热容；k2搅拌摩擦焊数值模型为热导率；T为绝对温度；Q为热源；η为黏度；γ觶搅拌摩擦焊接过程中，焊件的温度分布与焊缝为剪切速率；Q1为材料激活能；R为波尔兹曼常数；材料的流动行为是焊接头成形质量的决定性因素。a，m，α，A为相关系数。在此耦合温度场与材料流动速度场，建立基于流体2．3边界条件力学的黏滞滑动数值模型，对6061－T6铝合金FSW2．3．1热边界条件焊接过程进行模拟，分析室温为273．15K，FSW焊在FSW过程中，焊件材料因与搅拌头发生摩擦接过程中搅拌头转速为600r/min，焊接速度为而产生

8、材料达到高温黏塑性状态所需的热量和流动0．0016m/s时焊件的温度分布和焊缝材料黏性流动所需要的剪切应力，同时材料因发生塑性变形也会规律。产生热量。但焊件与空气和垫板的温度差以及热辐2．1几何模型射的存在，使得焊接过程中伴随着热量的流失。所建立的几何模型中，焊