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

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第2卷第1期 8 12007年 11月

焊接学 报T AN A T O HE C N WEL I G T T T O R S C I NSOF T HI A D N I IU I N NS

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搅拌摩擦焊接过程中材料流动形式张昭，刘亚丽，陈金涛，张洪武 (大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 162 ) 04 1

摘

要：采用完全热力耦合模型对搅拌摩擦焊接过程进行模拟，详细分析了搅拌摩并

擦焊接过程中的材料流动形式。结果表明，型可以成功预测搅拌摩擦焊接过程材料模

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。 关键词：搅拌摩擦焊接；完全热力耦合模型；材料流动；限元法有中图分类号：Vd23A 4 3,; 0 0 V文献标识码： A文章编号： 23 6X( 0)1 07 c 05—30 2 7 1— 1一 l 0 5张昭

0青 搅拌摩擦焊接技术是一种新型焊接工艺，具有节能、环保和适应性广等特点，自发明以来，速应迅用到航空航天、船舶以及汽车制造等工业领域。搅拌摩擦焊接的基本原理是将一个旋转的搅拌头插入对接的焊缝中，过搅拌头的不停旋转以及沿焊缝通方向的平移使焊缝两侧的金属充分搅拌，而实现从可靠连接。 搅拌摩擦焊接涉及热力耦合、大变形、料显微材结构和性质的变化等，一个复杂的过程，此，是因搅拌摩擦焊接发明以来，吸引了众多学者的注意并开展了多项研究。王大勇等人…对 A—L合金搅拌 l i摩擦焊接头的研究发现搅拌摩擦焊接头发生软化并且前进侧软化区大于后退侧。Lu等人 _认为 A— i 2 l c合金

的搅拌摩擦焊接“ u之行线”出现会对热处的理后的焊接构件的力学性能产生明显影响。 Fn eg等人的工作表明焊后热处理会导致焊接构件搅拌]区材料晶粒粗化，化程度与溶解温度有关。Ry粗 e— nls od等人 _则研究了焊接参数的变化对 75合 4 00铝金搅拌摩擦焊接构件温度以及硬度分布的影响。

基于搅拌摩擦焊接技术的基本原理， sr Mi a等 h人 _提出了搅拌摩擦加工技术，于生产具有高应 5 用

变率超塑性的材料。M等人_对这一问题进行更 a 6为细致的研究，过研究发现搅拌摩擦加工技术可通以使显微结构细化并且变得更为均匀，这对于提高材料的性能是非常重要的。

由于搅拌摩擦焊接过程中，接构件靠近上表焊面的材料不仅受到搅拌针的搅拌作用，时还要受同

到轴肩的旋转作用，因此，靠近上表面的材料具有和下表面材料不同的变形 J从而推知焊接构件上下，表面材料应该具有不同的流动行为。目前还没有相关的工作来较为直观地显示和跟踪材料质点在搅拌摩擦焊接过程中的三维运动行为，管文献[]尽 8跟踪了搅拌摩擦焊接过程中材料物质点的二维流动情况，并取得了和试验一致的结果，是二维模型不能但反映三维情况，因此，于文献[]基 8的工作，进一步完

善了搅拌摩擦焊接的数值模型，采用有限元方法模拟搅拌摩擦焊接的完全热力耦合过程，着重分析并搅拌摩擦焊接过程中的材料质点的三维迁移形式， 并对比不同厚度上材料流动形式的差异。

1有限元模型 1 1几何模型及边界条件 .

收稿日期： 07— l 5 20 0一2

基金项目：国家自然科学基金资助项目(0222 1410,(007; 1 51, 222 1320 ) 2 0 1 国家基础性研究发展规划资助项目(0 5 B 274; 20C 3 10 )长江学者和创新团队发展计划资助项目

焊具采用刚体，体尺寸如图 1所示，划分具共 1 7个四节点刚体单元，含 189个节点。值得 7 8包 7