超聲振動強(qiáng)化攪拌摩擦焊接熱過程及材料流動的數(shù)值分析.pdf

1、攪拌摩擦焊接(FSW)作為一種固相焊接工藝，為了產(chǎn)生足夠的熱量，在焊接時需要施加很大的軸向下壓力，造成焊接載荷（包括軸向壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩及前進(jìn)阻力）大、裝夾要求嚴(yán)、焊接速度低和攪拌頭易磨損斷裂等問題。為了解決上述問題，研發(fā)了一種在攪拌頭前方待焊工件上施加超聲振動能量的超聲振動強(qiáng)化攪拌摩擦焊接(UVeFSW)新工藝。研究表明在攪拌摩擦焊接過程中施加超聲振動能量能夠減少材料塑性變形所需的熱量，達(dá)到改善焊接質(zhì)量、降低焊接載荷并提高焊接速度的工藝

2、效果。然而，超聲振動對FSW焊接熱過程和塑性材料流動的影響機(jī)理仍未闡明。建立UVeFSW焊接過程的數(shù)理模型，分析施加超聲對焊接熱過程和塑性材料流動的影響，對于揭示UVeFSW焊接工藝機(jī)理，闡明施加超聲振動能量改變塑性材料屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力的物理機(jī)制，實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)的優(yōu)化與匹配，對于豐富FSW焊接工藝?yán)碚摚瑢?shí)現(xiàn)超聲能量在攪拌摩擦焊接過程中的有效利用，具有重要的理論意義和工程實(shí)用價值。
　　為了深入理解UVeFSW的焊接物理機(jī)制，首先針

3、對FSW焊接下壓、停留和焊接的全過程建立熱流耦合模型，采用Fluent軟件的動態(tài)網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，基于鋪層算法實(shí)現(xiàn)了攪拌頭下壓過程的熱流耦合模擬，分析了不同階段的產(chǎn)熱、溫度分布、塑性材料流動和焊接力矩的變化規(guī)律。
　　隨后，基于超聲軟化的宏觀現(xiàn)象，引入聲軟化百分?jǐn)?shù)，建立了UVeFSW焊接過程的唯象模型，模型考慮了超聲的軟化作用和熱作用，定量分析了UVeFSW焊接過程中攪拌頭附近的傳熱及材料流動情況，并對比分析了施加超聲振動的UVeF

4、SW和常規(guī)FSW焊接時的產(chǎn)熱、傳熱和材料流動情況。結(jié)果表明，施加超聲振動時攪拌頭與工件接觸界面的產(chǎn)熱稍有下降;同時，施加超聲振動后攪拌頭附近材料粘度降低，材料流動性增強(qiáng)，塑性材料流動范圍增大。但超聲軟化作用增大了產(chǎn)熱區(qū)域，同時超聲的熱作用提供了部分產(chǎn)熱，抵消了軟化作用導(dǎo)致的產(chǎn)熱下降，總體上施加超聲振動對FSW焊接溫度場和熱循環(huán)曲線影響不大。UVeFSW和常規(guī)FSW焊接過程的溫度場和熱循環(huán)基本一樣。
　　基于位錯熱激活理論，分析了超

5、聲振動對塑性變形材料位錯運(yùn)動的影響，進(jìn)而修正了Sheppard-Wright粘塑性本構(gòu)關(guān)系，建立了考慮超聲軟化效應(yīng)的粘塑性本構(gòu)模型，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了標(biāo)定。修正的本構(gòu)模型描述了超聲軟化作用與超聲能量密度、材料特性和過程參量（溫度，應(yīng)變速率）之間的定量關(guān)系。施加超聲振動能量降低了材料的塑性變形激活能，使得材料更容易發(fā)生塑性變形，從而降低了屈服應(yīng)力和流動應(yīng)力。
　　在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用修正的考慮超聲軟化效應(yīng)的材料本構(gòu)關(guān)系，建立了耦合超聲

6、能場的UVeFSW數(shù)值分析模型。分析了UVeFSW焊接過程中超聲聲壓的動態(tài)變化規(guī)律、聲場能量分布、焊接產(chǎn)熱、傳熱和塑性材料流動情況。定量分析了超聲聲壓/聲場能量分布與UVeFSW焊接時熱流密度、溫度場和材料流場之間的相互作用規(guī)律，初步揭示了超聲振動改善焊接接頭組織與性能的物理機(jī)制。開展了相應(yīng)的工藝實(shí)驗(yàn)，獲得了焊縫橫斷面、焊接力矩和典型位置熱循環(huán)等實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果吻合良好。
　　通過UVe

7、FSW耦合模型對焊接過程進(jìn)行了系統(tǒng)分析，結(jié)果表明攪拌頭前方的強(qiáng)超聲能量與塑性變形材料相互作用，預(yù)軟化了材料，降低了塑性變形產(chǎn)熱率，提高了攪拌頭附近材料的塑性流動性，使得攪拌區(qū)擴(kuò)大，材料流動速度增加。但施加超聲對溫度場和熱循環(huán)影響不大，這是因?yàn)殡m然塑性變形產(chǎn)熱率降低，但塑性變形區(qū)增大，所以塑性變形功產(chǎn)熱變化不大。另外，對UVeFSW耦合模型的計(jì)算結(jié)果與唯象模型的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)耦合計(jì)算聲場，并采用基于熱激活理論修正的材料本構(gòu)關(guān)系能