攪拌摩擦點(diǎn)焊過(guò)程流場(chǎng)的cfd模擬

攪拌摩擦點(diǎn)焊接（fssw）是一種新型的固體連接技術(shù)，由日本mazda和kawasaki于1993年開發(fā)。該點(diǎn)焊技術(shù)常用于代替鉚接等緊固連接技術(shù)。FSSW的焊接過(guò)程如圖1。圖1(a)為點(diǎn)焊過(guò)程的第一個(gè)階段,即壓入階段,攪拌頭以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),同時(shí)受到向下的外載,壓入呈上下放置的兩塊待焊金屬板。第二個(gè)階段(如圖1b)為攪拌焊接階段,摩拌頭軸肩與上側(cè)焊板上表面的摩擦產(chǎn)熱使得攪拌頭周圍的焊接母材溫度逐漸升高并軟化,同時(shí)由于攪拌頭的攪拌作用,母材發(fā)生塑性流動(dòng)。經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的焊接,當(dāng)兩焊板完全焊合以后,攪拌頭便以一定速度退出到指定位置,這是點(diǎn)焊的第三個(gè)階段,即退出階段,如圖1(c)。Colegrove利用FLUNET軟件建立了攪拌摩擦焊過(guò)程的三維材料流動(dòng)模型,采用穩(wěn)態(tài)求解器,假設(shè)材料無(wú)滑移,得出了該焊接過(guò)程詳細(xì)的材料流動(dòng)情況。Elangovan等分別用由不同的攪拌針輪廓和軸肩直徑構(gòu)成的攪拌頭進(jìn)行焊接,并對(duì)所得焊接接頭進(jìn)行了宏觀觀察,分析了攪拌針輪廓及軸肩直徑對(duì)焊縫質(zhì)量的影響。由于商用CFD軟件包中的FLU-ENT軟件可以對(duì)流體流動(dòng)過(guò)程進(jìn)行摸擬,所以本文也選用了此軟件對(duì)FSSW過(guò)程的材料流動(dòng)情況進(jìn)行數(shù)值分析。1實(shí)驗(yàn)材料和攪拌頭1.1al-mg-si-cu系鋁合金本文選用2A14鋁合金作為點(diǎn)焊材料,該鋁合金是Al-Mg-Si-Cu系鋁合金,具有較好的熱塑性和可焊性。其化學(xué)成分和熱物理參數(shù)參見文獻(xiàn)。1.2軸肩攪拌防側(cè)模型為分析攪拌頭形狀對(duì)點(diǎn)焊過(guò)程材料流動(dòng)的影響,本文建立了不同輪廓的軸肩和攪拌針模型,即底面為平面(如圖2a、b、c)和凹面(如圖2d)的軸肩,圓柱形、三角形、方形攪拌針。所用軸肩的直徑均為16mm,攪拌頭轉(zhuǎn)速均為600r/min。本文共創(chuàng)建了兩組模型:第一組模型由平面軸肩和凹面軸肩組成,均采用直徑為4mm的圓柱形攪拌針;第二組模型為三種不同形狀的攪拌針(圓柱形、三角形、方形),即在攪拌頭尺寸相同(軸肩直徑為16mm,攪拌針最大旋轉(zhuǎn)直徑為4mm)、轉(zhuǎn)速相同(600r/min)的情況下,觀察攪拌針形狀對(duì)流場(chǎng)的影響。1.3火炬點(diǎn)焊過(guò)程中的速旋轉(zhuǎn)問(wèn)題在攪拌焊接階段,攪拌針完全插入待焊金屬板,軸肩底面與上側(cè)焊板上表面完全接觸,整個(gè)攪拌頭以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),這是點(diǎn)焊的三個(gè)過(guò)程中最重要的一個(gè)過(guò)程,它影響著材料流動(dòng)并最終影響焊縫質(zhì)量。在該階段,大部分參數(shù)保持恒定或變化很小,因此,計(jì)算中將流動(dòng)問(wèn)題視為穩(wěn)態(tài)問(wèn)題處理。將本文采用的鋁合金材料視為非牛頓流體,為不可壓縮、各向同性的粘塑性材料,并假設(shè)焊接過(guò)程中密度保持2800kg/m3不變。1.4攪拌針的變形域和幾何模型在FLUENT的前處理器GAMBIT中建立的三維物理模型如圖3所示,該模型主要包括一個(gè)圓柱(直徑16mm、高6mm)和一個(gè)孔(最大直徑4mm,高5mm),此小孔即挖空的攪拌針。圓柱區(qū)域被視為變形域,采用移動(dòng)坐標(biāo)系。該三維模型的上表面、內(nèi)側(cè)面和內(nèi)底面的材料被認(rèn)為粘在攪拌頭表面上,即此處材料相對(duì)于攪拌頭表面無(wú)滑移,并以與攪拌頭相同的速度旋轉(zhuǎn)。該三維模型的外側(cè)面和外底面被視為靜止面。2攪拌頭鉆孔切片在FLUENT中迭代結(jié)束后,為更清晰的觀察焊縫內(nèi)部材料的流動(dòng)情況,將計(jì)算區(qū)域沿垂直于攪拌頭軸線方向(水平方面)和平行于攪拌頭軸線方向(垂直方向)進(jìn)行切片,具體切片位置如圖4。圖5、6為材料流動(dòng)速度矢量圖,圖中深紅色箭頭代表流動(dòng)速度最大,深藍(lán)色箭頭代表流動(dòng)速度最小,由藍(lán)色到紅色,流動(dòng)速度逐漸增大。2.1凹面軸肩與上側(cè)焊板的流場(chǎng)分布采用平面軸肩和凹面軸肩時(shí)(攪拌針為準(zhǔn)4mm的圓柱形),材料的流動(dòng)情況如圖5所示。由圖可見,與采用平面軸肩相比,由凹面軸肩引起的材料流動(dòng)情況更明顯。主要原因:在軸肩直徑相同的前提下,與平面軸肩相比,凹面軸肩底面面積更大,這就意味著凹面軸肩與上側(cè)焊板上表面接觸面積更大,故摩擦所產(chǎn)生的熱量更多,材料軟化更快更徹底,材料流動(dòng)情況也就更明顯;而且由于凹面軸肩的底面與水平面成一定角度,故軸肩底部材料受沿軸肩底部向外的分力,這一分力也會(huì)導(dǎo)致材料流動(dòng)范圍增大。圖5也說(shuō)明,無(wú)論是平面軸肩還是凹面軸肩,材料最大流動(dòng)速度不是在軸肩底部最外緣,而是在軸肩正下方靠近軸肩邊緣的內(nèi)側(cè)。這是由于在軸肩最外緣,軸肩與外界溫度較低的空氣直接接觸,散熱較快;而且此處直接與周圍母材接觸,熱傳導(dǎo)較快,故此處的材料溫度降低較快,軟化程度較差,流動(dòng)情況較弱。2.2攪拌針的流動(dòng)范圍在z=1平面處,材料的流動(dòng)情況圖如6所示。可見,與采用圓柱形攪拌針相比,當(dāng)采用三角形攪拌針和方形攪拌針時(shí),材料流動(dòng)范圍較大,這與文獻(xiàn)所得結(jié)論基本一致。主要原因是,在轉(zhuǎn)速相同的情況下,與圓柱形攪拌針相比,三角形攪拌針和方形攪拌針對(duì)周圍材料的攪拌作用更大,使得金屬顆粒受到周圍材料更強(qiáng)烈的擠壓,故材料變形更大,流動(dòng)更強(qiáng)烈。與方形攪拌針相比,在靠近三角形攪拌針表面處,材料流動(dòng)方向更復(fù)雜,尤其是在三角形三個(gè)角附近,這是三角形攪拌針的攪拌作用更大所致。3攪拌針形狀對(duì)材料流動(dòng)的影響(1)在其他焊接情況相同的情況下,與采用平面軸肩相比,當(dāng)采用凹面軸肩時(shí),