搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用

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1、。，。，。m⋯。，航空焊接技术搅拌摩擦焊数值模拟技术研究及应用ResearchandApplicationofNumericalSimulationTechnologyforFrictionStirWelding刘寒龙北京创联智软科技有限公司产品经理，长期从事焊接模拟软件的算法殛应用研究。曾多次出国与国外进行技术交流殛学习。在焊接数值模拟应用方面有着丰富的经验。搅拌摩擦焊是一种住机械力和摩擦热作用下的同相连接方法，其通过搅拌头的旋转来使两种相同或者不同材料连接在一起。搅拌摩擦焊焊接原理如图I所示，焊接过程中，搅拌头旋转着缓慢插入被焊

2、工件，搅拌头和被焊接材料之间的摩擦剪切阻力产生r摩擦热，使搅拌头邻近区域的材料接近焊接材料的熔点；当搅拌又旋转着向前移动时．搅拌头附北京创联智软科技有限公司刘寒龙morfeo有限元仿真软件是比利时CENAER0公司开发的模拟软件。它可以模拟搅拌摩擦焊过程中的温度场、流动以及应力场。模型采用交错热流耦合分析，可以使用欧拉法及拉格朗日法；材料本构采用热粘塑性；温度场计算考虑塑性变形生成的热量；流场结果与一系列的实验结果进行了比较，试验采用铜箔与铜线的方式。嵌入到焊缝周围的各种位置，焊接后在各个截面上进行金相分析。近的金属材料从搅拌头的前

3、沿向后沿转移．并且在搅拌头轴肩与1：件表层摩擦产热和压力共同作用下，形成致密固相连接接头⋯、图1搅拌摩擦焊焊接原理在工件与搅拌头的材料都一定的情况下，温度场主要是通过搅拌头与丁件的摩擦、材料的流动和材料的塑性变形形成，材料的流动主要取决f焊接速度，旋转速度和压力等，这些因素又决定了材料的焊接质量和微观组织。斟此，很多学者研究焊接仿真模型去优化搅拌摩擦焊的焊接工艺条件以得到更好的焊接质量。搅拌摩擦焊的模拟发展概述搅拌摩擦焊模拟技术的发展经历TI。几年的时间．中外很多专家学者对这种技术的发展做出r贡献。由于材料流动对于丰4料焊接性能的影

4、响十分重要，人们希望能预测搅拌头附近的流场。最开始人们是想通过某种方法使得搅拌头周围的流场可视化，很多人也对此进行了大量的研究，1999年．K．Coiligan在6061一T6与7075一T6铝合金焊接材料中2011年第23／24期·航空制造技术109毵—·．=二二丛盟盟堕卫坚壁垒B一一加入钢珠，使川x射线分析得⋯搅拌摩擦焊足南搅拌与材料挤压两种现象的组合12[，同年，Reynolds等人进行了类似的实验。在焊缝位置把5454铝合金中嵌入到2195铝合金中，观察了不同焊接速度和旋转速度对搅拌头两侧材料流动的影响I”。此外也有许多人利

5、用不同材料对流场进行分析～通过这种方法，Murr等人向人们展示了焊接参数变化引起的复杂流场r41。Guerra等人使用在6061铝合金的焊缝r放置铜箔的方法，在焊接过程达到稳态后，停止搅拌头旋转，然后使用金相分析，展示了搅拌头附近流场的区域，旋转K与过渡区”l。此外还有很多流场分析的方法，金相分析可以补充x射线图像分析。搅拌摩擦焊过程的数值模拟的主要问题是使用等效热流密度方程来代替热输入。这个等效热流密度需要通过实验，实际测量来获得。但是如果可以通过热流模型来预测由于塑性变形和摩擦生成的热流密度的方法．就可以代替试验，于是人们研究开

6、发了很多流体模型．徐和邓等人依据ABAQUS／Expli,At开发r二维和三维有限元模型，他们使用修改的库伦法以及工件和搅拌头之间的滑移界面的摩擦接触，预测的结果与试验结果比较接近161。Co]egrove使用CFD软件FLUENT模拟了2024铝合金与7075铝合金焊接过程中各种形状的搅拌头周同的流场”l。Seidel等人也使用FLUENT2D稳态方法模拟了圆柱状搅拌头附近的流场。UIysse使用FIDAP软件模拟了的j维热流模型过程考虑了搅拌头螺纹引起的速度ISl。Nikiforakls使用有限差分法模拟了搅拌摩擦焊过程⋯，当然

7、热输入全部是南塑性变形计算而来。，morfeo原理介绍基于上述内容，我们看到人们对110航空制造技术·2011年第23／24期搅拌摩擦焊的模拟作r很多的研究，但是真正能用于指导乍产以及对实际1．艺参数起到优化作用的工作并不是很多、morfeo有限元仿真软件是比利时CENAERO公司开发的模拟软件，它可以模拟搅拌摩擦焊过程中的温度场、流动以及应力场。模型采用交错热流耦合分析，可以使用欧拉法及拉格朗日法；材料本构采用热粘塑性；温度场计算考虑塑性变形生成的热量；流场结果与一系列的实验结果进行了比较；试验采用铜箔与铜线的方式．嵌人到焊缝周嗣

8、的各种位置；焊接后在各个截面上进行金相分析、在某实验参数卜，可以观察到板厚各个深度F的铜箔分布如图2所示。1计算模型计算模型采用欧拉法，基于质量守恒方程和动量守恒方程。模型在计算过程中，采用r一定程度的简化。首先，H为人多数的变形为粘