搅拌摩擦焊接过程数值仿真的完全热力耦合模型

提出了搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,以模拟AL6061-T6铝合金焊接构件在焊接过程中的温度场和材料变形情况,试验结果证明了该模型的有效性。计算结果显示,在焊接过程中,材料的最高温度低于熔点。在工件底面搅拌头后方存在一个低塑性应变区域,这是由搅拌摩擦焊接材料的特有流动形式所决定的。在工件上表面塑性应变的分布与试验中观测到焊接构件表面的环状纹理相似。

铝合金搅拌摩擦焊完全热力耦合数值模拟

本文利用ABAQUS有限元软件建立高转速下搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合模型,模拟了6005A-T6铝合金焊接结构件在搅拌摩擦焊接过程中的温度场和速度场,试验结果证明了该模型的有效性,模拟结果表明在焊接过程中材料温度在熔点以下为固相连接,焊接时上表面温度大于下表面温度,在横截面上温度场的分布为碗形,搅拌头轴肩范围内的区域是产生材料塑性流动的主要区域,在板厚方向上搅拌针与轴肩的交界处发生热塑性流动的材料最多,材料的热塑性流动是形成致密焊缝的必要条件。

基于材料流动轨迹的搅拌摩擦焊接晶粒及焊接区大小预测模型

通过热力耦合模型模拟搅拌摩擦焊接过程中的材料行为,并基于材料的运动轨迹区分焊接区域中的搅拌区和热力影响区。给出热力影响区和搅拌区边界处流动轨迹上的真实应变率和温度历史曲线,进一步计算Zener-Holloman参数和搅拌区内的晶粒大小,通过与已有文献的对比验证计算结果的准确性。结果显示尽管应变率分布不均匀,均匀分布的温度使lg Z在搅拌区内均匀分布,这说明温度对搅拌区内晶粒大小变化的影响较应变率更为明显。绕针运动的物质点的应变率明显高于其他运动轨迹上的物质点的应变率,可以达到22 s–1。通过对不同材料流动行为的跟踪可以确定搅拌区和热力影响区的边界。搅拌区晶粒随搅拌头轴肩的增大而增大,且搅拌区尺寸随搅拌头轴肩的增大而增大。较小的搅拌头会使搅拌区的区域变小。

搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式

采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟,并详细分析了搅拌摩擦焊接过程中的材料流动形式。结果表明,模型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料流动和温度分布情况。通过对搅拌头周围材料流动的研究,分析了搅拌摩擦焊接过程中飞边现象形成的主要原因。研究了搅拌摩擦焊接构件不同厚度上材料的三维流动形式,通过与二维情况的比较证实,二维情况下的材料流动数值模拟结果对应于搅拌摩擦焊接构件靠近下表面部分的材料流动情况。从等效塑性应变的分布也能证实搅拌头轴肩对靠近上表面的材料行为具有明显影响,而对下表面附近材料行为影响较弱,从而说明二维情况对应三维情况靠近下表面的部分。

搅拌摩擦焊接数值模拟的网格敏感性分析

利用完全热力耦合模型,通过对具有不同网格尺寸的焊接构件有限元模型的计算,分析了网格敏感性对模拟结果的影响,同时简要分析了焊接过程中温度分布和残余应力大小及分布形式。数值结果表明,网格密度影响计算误差,同时决定着计算效率和计算成本。随着网格密度的增加,计算结果的精度得到提高,当网格加密到一定程度,计算结果的精度并没有随着网格密度的增加成比例的增加。焊接过程中温度近似呈稳态分布,焊接构件的纵向残余应力分布呈现典型双峰特征,这些现象都与已有试验所得结论吻合。

搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响

采用完全热力耦合模型研究了搅拌头形式对搅拌摩擦焊接中材料变形和温度场的影响.结果表明,搅拌头轴肩形状变得平坦会导致焊接温度和塑性变形程度的降低,有效功率会减少.采用锥形搅拌针时焊接温度较柱形搅拌针低,这是由于接触面滑动率减少导致摩擦热减少,但是此时,塑性变形会增加.采用尺寸较小的搅拌头轴肩时,摩擦面积的减小是导致焊接温度降低的主要原因,为了提高焊接温度和焊接质量,必须在使用小轴肩时采用较高的搅拌头旋转频率.

转速对搅拌摩擦焊接搅拌区晶粒尺寸影响

基于搅拌摩擦焊接的完全热力耦合模型,跟踪材料物质点运动轨迹,划分出不同搅拌头转速下搅拌区域边界。沿材料物质点迹线提取出真实应变与温度历程,可进一步计算Zener-Hollomon参数并利用经验公式预测搅拌区晶粒尺寸。经计算发现较大转速工况下,搅拌区尺寸较大。搅拌区晶粒尺寸随焊接温度的增加而增加,随应变率的增加而减小。随着搅拌头转速的增加,焊接区材料温度与等效应变率均有明显增长,但是温度影响更为明显,平均晶粒尺寸随搅拌头转速的增加而增加。

轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程中材料变形和温度分布的影响

采用完全热力耦合模型分析轴向载荷变化对搅拌摩擦焊接过程的影响,发现较低的轴向载荷会导致搅拌摩擦焊接无法完成.搅拌摩擦焊接构件上表面材料由于受到搅拌针和肩台旋转的作用,导致上表面材料变形程度较下表面高,材料沿焊缝中心线的变形并非严格对称,前进侧材料的变形程度较后退侧高,搅拌头轴向载荷的增加会减弱这种不对称性.搅拌摩擦焊接过程中的最高温度随轴向载荷的增加而增加,且搅拌头轴向载荷的增加会促使搅拌区附近的温度分布趋于均匀.

搅拌针对搅拌摩擦焊接搅拌区晶粒影响研究

采用完全热力耦合模型,通过跟踪物质点的真实应变分量计算Zener-Hollomon参数,并由此计算搅拌区内的焊后晶粒尺寸。结果表明:热力影响区和搅拌区边界可以通过材料流动的不同行为进行界定;搅拌区随搅拌针直径的增加而增加,同时热力影响区变窄;在搅拌区域内,应变率对最终晶粒尺寸有明显影响;靠近搅拌针的材料,在快速绕针流动与旋推的作用下,经历了较大的应变率,最终得到较为细小的材料晶粒。

2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接中搅拌头尺寸和搅拌针形状影响的数值模拟(英文)

采用完全热力耦合模型研究了搅拌针直径、轴肩直径以及搅拌针锥角对2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接过程中热生成、材料变形和能量历史的影响。结果表明:相比搅拌针接触面,轴肩接触面对搅拌摩擦焊接的热生成起主要作用。增加轴肩直径和减小搅拌针直径均能增加焊接温度,但是轴肩尺寸变化的影响更为明显。与6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊接过程相比,2024-T3铝合金搅拌摩擦焊接的能量输入明显增加,同时塑性耗散与摩擦耗散的能量比减小。

AFAM 7050铝合金的数值模拟

AFAM是一种新型的增材制造技术,它将传统的搅拌摩擦焊拓展到增材制造领域。本文探索了基于ANSYS平台的AFAM温度场和残余应力的模拟。基于完全热力耦合模型,对AFAM进行数值模拟。选取旋转速度为750r/min,前进速度为60 mm/min,对温度场进行计算,并对最终状态下的残余应力进行分析对比。结果表明:AFAM的加工温度区间在固相线附近,残余应力主要是纵向残余应力。