2A14铝合金双轴肩搅拌摩擦焊的温度场模拟及测定.pdf

学兔兔 俘掳 试验研究 2A14铝合金双轴肩搅拌摩擦焊 的温度场模 拟及 测 定 中国科学院 沈阳 自动化研究所 (110016) 张 骁 王 敏 张会杰 张景宝 摘要 采用 自适应的热源模型，利用msc·marc模拟了6mm2A14铝合金的双轴肩搅拌摩擦焊温度场。随后 对模拟所得的温度场进行了试验验证 ，在相同的工艺参数下测量了焊接过程中距焊缝不同位置处的热循环曲线和 峰值温度。对比结果表明：该模型能准确地模拟双轴肩搅拌摩擦焊接过程中的温度分布情况。 关键词： 搅拌摩擦焊 双轴肩 温度场 中图分类号： TG453 ．9 热生成量和计算大致的表面接触温度。采用一维热传 0 前 言 导来决定搅拌头的热流量，并且假定进入搅拌头的热 搅拌摩擦焊 自1991年发明以来 ，一直发展很快。 量是总的焊接能量的 17％。随后一些研究者利用数字 近些年来，一些新 的搅拌摩擦焊技术不断涌现出来， 技术通过减少工件 的热输入来计算搅拌头的能量输 例如搅拌摩擦焊点焊技术、搅拌摩擦焊柱塞焊技术 以 入 。ChaoY．J．等人 发表的论文中描述 了一个三位 及双轴肩搅拌摩擦焊技术等。双轴肩搅拌摩擦焊不 热传递模型，假定搅拌头轴肩和工件接触面之间的热 仅克服了传统搅拌摩擦焊在焊接一些中空构件时的 流输入为常数，不断调节试验和误差，直到计算的热输 不足，而且双轴肩搅拌摩擦焊解决了单轴肩焊接 中易 入温度与测量值相等。0．Frigaard等人 。发展的搅 出现 的未焊透问题 ，可以得到性能优 良的焊缝 。在双 拌摩擦焊工艺模型，假定摩擦热是搅拌头轴肩上的热 轴肩焊具设计 中，为了产生一个与焊接力相反的作用 输入 ，在焊接过程 中摩擦系数或计算得到的温度不断 力 ，双轴肩搅拌摩擦焊设计 了另外一个具有足够刚度 调整来保持材料上焊接点的温度。M．Zahedul等人l8 和稳定性的轴肩。双轴肩焊具具有两个轴肩和一个 模拟了搅拌摩擦焊搭接接头的热传导问题，使用了移 搅拌针，这样在焊接过程 中上轴肩产生的压力就会被 动的轴肩热源的输入 。G．J．Bendzsak等人 应用计 下轴肩抵消一部分 。而且，可拆卸式双轴肩焊具的轴 算动力流体的方法建立传热和材料流动模型，材料被 肩间距可以调节 ，这就使双轴肩焊接过程更加灵活方 认为 非 牛 顿 性 流 体。J．C．McClure等 人 ¨ 运 用 便 。研究中，重点分析了双轴肩搅拌摩擦焊焊接过程 Rosenthal方程建立了三维准稳态温度场的数学模型， 的温 度场分布 。试验 中焊接 的材料为 6mm厚 的 用 Romberg方程计算出结果，对传热过程进行了初步 2A14铝合金，由于这一材料的强度很高，双轴肩焊接 的分析，认为最高温度在轴肩的圆周上出现。SongM． 难度较大 ，目前 国内外对这一材料 的FSW 双轴肩焊 等人 提出了新的传热方程 ，整个焊接过程产热 由两 接研究相对较少 。 方面组成，分别为搅拌针产热和轴肩产热。 搅拌摩擦焊焊接是一个热和机械共 同作用的过 1 试 验 程 ，热输入在这个过程中是一个非常重要的影响因素， 所 以对热输入的分析是该领域的一个研究重点。关于 在研究中，利用 msc·marc软件建立 了自适应产 搅拌摩擦焊搅拌头热分析的第一批研究者是Russell和 热模型，模拟了6mm2A1