攪拌摩擦焊攪拌針形狀對(duì)材料流動(dòng)行為的影響

0數(shù)值模擬方法作為一種新型的固相連接技術(shù)，攪拌摩擦焊接（fsw）具有低強(qiáng)度、無(wú)變形、低連接強(qiáng)度、無(wú)傳統(tǒng)焊接缺陷和綠色環(huán)境保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。由于沒(méi)有金屬熔融現(xiàn)象，在攪拌過(guò)程中，焊接材料的流動(dòng)性決定了焊接質(zhì)量的優(yōu)缺點(diǎn)。因此，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家的研究一直是一個(gè)焦點(diǎn)。盡管研究攪拌摩擦焊塑性金屬流動(dòng)行為的試驗(yàn)方法很多,但其很難得到焊核區(qū)域金屬材料的流動(dòng)軌跡.因此利用數(shù)值模擬的方法研究攪拌摩擦焊塑性金屬的流動(dòng)行為成為了一種趨勢(shì).Zhang等人利用有限元軟件Deform研究了攪拌頭端面結(jié)構(gòu)形狀影響焊縫及其附近區(qū)域塑性金屬流動(dòng)行為的規(guī)律.Colegrove等人利用CFD軟件Fluent研究了焊接工藝參數(shù)影響攪拌摩擦焊焊縫中塑性金屬流動(dòng)的規(guī)律.組成攪拌工具的攪拌針是影響焊接過(guò)程中材料流動(dòng)的關(guān)鍵因素.科研工作者對(duì)于攪拌針影響接頭材料流動(dòng)、性能等方面開(kāi)展了大量的研究,但目前未見(jiàn)利用數(shù)值模擬的方法研究攪拌針形狀參數(shù)影響攪拌摩擦焊過(guò)程材料流動(dòng)行為的相關(guān)報(bào)道.鑒于此,文中利用Fluent軟件中的有限體積法研究焊接過(guò)程中金屬材料塑性流動(dòng)行為,探討組成攪拌工具的攪拌針形狀參數(shù)對(duì)塑性材料流動(dòng)速度的影響規(guī)律.此研究對(duì)于攪拌摩擦焊的焊接工藝優(yōu)化以及攪拌工具形狀優(yōu)化提供了技術(shù)支持.1攪拌流場(chǎng)模型1.1內(nèi)凹內(nèi)凹軸肩結(jié)構(gòu)適用于鋁合金攪拌摩擦焊的攪拌工具主要有兩部分組成:軸肩與攪拌針(圖1).其中軸肩結(jié)構(gòu)為內(nèi)凹,其直徑為14mm;攪拌針上的螺紋旋向?yàn)橛倚?其長(zhǎng)度取5.3mm,且根部與端部直徑分別為5.5mm與3mm.試板的尺寸取150mm×50mm×6.5mm.模擬用流場(chǎng)模型的網(wǎng)格劃分情況如圖2所示.1.2旋轉(zhuǎn)斜截面的設(shè)計(jì)在模擬過(guò)程中,金屬材料視為流體且繞過(guò)旋轉(zhuǎn)的攪拌針,采用歐拉流動(dòng)公式進(jìn)行計(jì)算.將焊件上表面、下表面、流體流動(dòng)入口及出口、前進(jìn)側(cè)和回退側(cè)均設(shè)為移動(dòng)墻,移動(dòng)速度與焊接速度(100mm/min)相同,移動(dòng)方向與焊接方向相反.軸肩端面與攪拌針側(cè)面定義為旋轉(zhuǎn)墻,旋轉(zhuǎn)方向與攪拌工具旋轉(zhuǎn)方向相同,即順時(shí)針旋轉(zhuǎn);旋轉(zhuǎn)頻率與攪拌工具的旋轉(zhuǎn)頻率相同,即800r/min.根據(jù)攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn),取攪拌頭區(qū)域的溫度峰值為材料熔點(diǎn)的80%,約400℃,并加載到旋轉(zhuǎn)邊界上,采用熱-流耦合方法進(jìn)行計(jì)算.1.3粘度與溫度及應(yīng)變速率對(duì)于基于歐拉方程的流場(chǎng)模型來(lái)講,材料參數(shù)主要涉及3個(gè):比熱、熱導(dǎo)率與粘性系數(shù).此模型考慮了材料參數(shù)隨溫度之間的變化關(guān)系,如表1所示.模型中考慮了材料的粘度與溫度及應(yīng)變速率之間的關(guān)系,即式中:η為粘度;T為溫度;為應(yīng)變速率;Q為激活能,其值為176876J/mol;R為普適氣體常數(shù),其值為8.314J/mol·K;α,A與n為材料有關(guān)的常數(shù),其值如下:α=0.016/MPa,lnA=19.6/s,n=4.27.2截面與焊件表面平接合面分析為了研究攪拌摩擦焊過(guò)程的流場(chǎng)分布規(guī)律,取不同位置的截面進(jìn)行了分析.截面位置示意圖如圖3所示,其中截面a、截面b與截面c均與焊件表面平行,且截面a與截面b到軸肩端面的距離分別為0.1mm與4mm,截面c到攪拌針端面的距離為0.1mm.同時(shí)文中也對(duì)經(jīng)過(guò)攪拌針旋轉(zhuǎn)軸且沿垂直焊接方向的截面進(jìn)行了分析.2.1材料流動(dòng)速度隨試驗(yàn)針的方向變化圖4為攪拌摩擦焊過(guò)程中材料在水平方向的流動(dòng)速度矢量圖.通過(guò)分析可知,攪拌針及其附近區(qū)域的材料流動(dòng)方向與攪拌工具的旋轉(zhuǎn)方向一致;在垂直焊件表面的方向上,材料的流動(dòng)速度隨到焊件表面距離的增加而逐漸減小,且高速流動(dòng)區(qū)的范圍隨攪拌針的直徑變化而變化.在平行焊件表面方向上,與軸肩以及攪拌針接觸區(qū)域的材料流動(dòng)速度遠(yuǎn)大于其它區(qū)域;在攪拌工具與焊件間作用力以及攪拌區(qū)材料高速流動(dòng)的作用下塑性變形區(qū)大于軸肩直徑或攪拌針直徑.同時(shí)在攪拌針端面與焊件底面的區(qū)域,材料的塑性金屬流動(dòng)不充分,這也是缺陷最容易出現(xiàn)的位置.2.2管道測(cè)量系統(tǒng)的流動(dòng)性為了研究螺紋槽的變化對(duì)材料流動(dòng)的影響,建立了如圖5所示的寬螺紋槽攪拌工具.與圖1所示的攪拌工具相比,圖5中攪拌工具除螺紋槽較寬之外,其它結(jié)構(gòu)與尺寸均相同(如軸肩直徑等).圖6為采用寬螺紋槽的攪拌工具時(shí)材料在水平方向的流動(dòng)速度矢量圖.結(jié)合圖4可知,在攪拌針的螺紋區(qū)域,寬螺紋槽的攪拌工具情況下材料在相同位置的流動(dòng)速度小于窄螺紋槽攪拌工具的情況,這一現(xiàn)象可用流體流動(dòng)的連續(xù)性定理解釋.由于高速旋轉(zhuǎn)的材料可以看作是不可壓縮的流體,根據(jù)連續(xù)性定理可知,在同一時(shí)間內(nèi),流過(guò)螺紋槽任意截面的材料質(zhì)量都是相等的.那么則有式中:v為材料的流動(dòng)速度;A為螺紋槽截面面積;下標(biāo)1與2分別表示不同的截面.當(dāng)攪拌針上的螺紋槽變大時(shí),即A變大,造成v變小,即材料的流動(dòng)速度變小.這就說(shuō)明了寬螺紋槽攪拌針的材料流速低于窄螺紋槽攪拌針的原因.2.3攪拌針錐角的影響為了比較攪拌針的錐角變化對(duì)材料流動(dòng)的影響,設(shè)計(jì)了一個(gè)大錐角攪拌針的攪拌工具,如圖7所示.圖8為大錐角攪拌針情況下材料在不同截面上的流動(dòng)速度矢量圖.結(jié)合圖4的模擬結(jié)果可知,增加攪拌針的錐角會(huì)降低與攪拌針接觸區(qū)域材料流動(dòng)速度,甚至造成攪拌針端部下方的材料流動(dòng)速度趨近于0,易于形成根部缺陷.事實(shí)上,焊接過(guò)程中的熱量主要由摩擦熱以及塑性變形熱兩部分組成,采用較大錐角的攪拌針(如圓柱形等)時(shí)會(huì)導(dǎo)致焊核區(qū)的溫度升高,使熱影響區(qū)變寬,不利于接頭性能.因此攪拌工具的攪拌針錐角要適中,太小與太大都不好.2.4化學(xué)加物理作用機(jī)理為了比較螺紋旋向?qū)嚢韫ぞ呒捌涓浇鼌^(qū)域的材料流動(dòng)的影響規(guī)律,對(duì)比分析了螺旋方向分別是左旋與右旋的情況.模擬用左螺旋攪拌針的攪拌工具的實(shí)體結(jié)構(gòu)如圖9所示.圖10為攪拌針的螺紋旋向不同時(shí)材料的流動(dòng)情況.為了便于觀察,圖10中的流動(dòng)矢量忽略了沿x方向的速度.通過(guò)分析可知,改變螺紋旋向?qū)τ诤缚p表面、焊件內(nèi)部等區(qū)域的材料流動(dòng)速率幾乎沒(méi)有影響,但材料的流動(dòng)方向卻發(fā)生根本性的變化.對(duì)于右螺旋來(lái)講,位于攪拌針表面及附近的大部分材料隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)向上流動(dòng),而位于熱力影響區(qū)及其附近區(qū)域的材料的流動(dòng)方向?yàn)橄蛳?對(duì)于左螺旋來(lái)說(shuō),位于攪拌針表面及附近的大部分材料隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)向下流動(dòng),而位于熱力影響區(qū)及其附近區(qū)域的材料的流動(dòng)方向?yàn)橄蛏?此模擬結(jié)果已被相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果所證實(shí).3攪拌針旋轉(zhuǎn)軸測(cè)量(1)在攪拌摩擦焊過(guò)程中,材料的流動(dòng)速度隨著到焊件表面距離的增加而減小,隨著到攪拌針旋轉(zhuǎn)軸距離的增加而減小.當(dāng)攪拌工具順時(shí)針旋轉(zhuǎn)且攪拌針上的螺紋