搅拌工具与垫板对搅拌摩擦焊温度场影响的数值分析

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1、搅拌工具与垫板对搅拌摩擦焊温度场影响的数值分析半NumericalAnalysisonEffectofStirToolandBackplateonTemperatureEvolutionDuringFrictionStirWelding西北工业大学凝固技术国家重点实验室与陕西省摩擦焊接重点实验室张志函李文亚【摘要】采用ABAQUS／Explicit模块建立了搅拌摩擦焊接(FSW)的完全热力耦合三维计算模型，研究了10ram厚7050铝合金FSW过程中，不同材料的搅拌工具与垫板对焊接温度场演变的影响。研究结果表明：不同材料的垫板与搅拌工具对焊接温度

2、场有一定的影响；通过搅拌工具与垫板的热传导是热量散失的主要方式；在焊接过程中，随着垫板换热系数的增加，工件上下表面各等温线以搅拌工具为中心向内明显收缩。关键词：搅拌摩擦焊有限元分析铝合金温度场【ABSTRACTlAfullythermo-mechanicallycoupledthree-dimensionalfiniteelementmodelisdevelopedforthewholeprocessoffrictionstirwelded10mmthick7050aluminumalloybyusingABAQUS／Explicitsoftwa

3、re．Theeffectsoftoolandbackplatematerialsonthetemperaturefiledevolutionaresystematicallyinvestigated．Theresultsshowthatthetoolandbackplatematerialshaveobviousinfluencesonthetemperaturefiledevolution．Theheatlossismainlyattributedtotheconductionbythetoolandback-plate．Alltheisoth

4、ermsgraduallycontracttakingthetoolasthecenterwiththeincreaseofthebottomconvectivecoefficientduringtheweldingprocess．Keywords：FrictionstirweldingFiniteelementanalysisAluminumalloyTemperaturefield搅拌摩擦焊(FSW)作为一种节能、环保、高效的新型固相焊接技术得到国内外的广泛关注。国外已经成功将FSW用于航空航天、船舶等关键制造业，FSW在国防及其他工业领域的

5、轻合金制造中有着巨大的应用前景。在搅拌摩擦焊焊接过程中，搅拌工具肩部与被焊板材之间的摩擦和搅拌针与被焊材料之间的摩擦所产+国家自然科学基金(51005180)、凝固技术国家重点实验室自主研究课题(69一QP一2011)资助。62航空制造技术·2013年第4期生的摩擦热使被焊金属达到塑性软化状态，同时在该过程中材料组织结构转变、应力应变、金属流动和垫板的热损耗等相互耦合、共同作用而形成了焊接温度场。目前，国内外已对搅拌摩擦焊的温度场进行了大量的数值模拟与实验研究工作[1-10]。文献[7]通过数值模拟的方法研究了搅拌摩擦焊过程中，焊接速度对工件温度

6、场的影响。Frigaard等隅1建立了搅拌摩擦焊接的三维传热模型，同时采用内置热电偶的方法测量了搅拌摩擦焊接过程中的温度场，通过实验对数值计算的结果进行了验证。Schmidt【91采用一个完全热力耦合三维有限元模型对搅拌摩擦焊接温度场进行了分析，预测了孑L洞的形成及移动阶段的温度分布，然而模拟开始时搅拌工具轴肩与工件已完全接触。Kim等n川采用数值模拟的方法研究了AA5083一H18薄板的搅拌摩擦焊工艺，并将数值模拟的最高温度与实验数据进行了对比和验证。但至今关于不同材料的搅拌工具与垫板对搅拌摩擦焊焊温度场影响的文献报道甚少，与此同时，搅拌工具与

7、垫板材料的选择是焊接工艺设计中无法避免的问题，搅拌工具决定焊接热输入量，同时也是获得高质量焊接接头的关键[11-12]。基于此，本文研究了7050铝合金搅拌摩擦焊焊接过程中不同材料的搅拌工具与垫板对焊接温度场演变的影响。1计算方法1．1计算模型在该计算模型中，焊接材料为7050铝合金。为研究搅拌工具对焊接温度场的影响，研究采用了rI’8工具钢和1Crl8Ni9Ti不锈钢2种搅拌工具进行比较。搅拌针长度为9．2mm，工件尺寸为200mmx150mmx10mm，网格采用渐变，在焊缝中心区域单元较密集，其单元尺寸约为lmm，如图1所示。1．2计算边界条

8、件垫板与被焊工件之间的接触条件非常复杂，同时二者之间存在接触热传导，从而导致工件与垫板的热传击8ram(a)搅拌‘rI二具尺寸(h)计算