搅拌摩擦点焊过程流场的cfd模拟

搅拌摩擦点焊过程流场的cfd模拟

搅拌摩擦点焊接（fssw）是一种新型的固体连接技术，由日本mazda和kawasaki于1993年开发。该点焊技术常用于代替铆接等紧固连接技术。FSSW的焊接过程如图1。图1(a)为点焊过程的第一个阶段,即压入阶段,搅拌头以一定转速旋转,同时受到向下的外载,压入呈上下放置的两块待焊金属板。第二个阶段(如图1b)为搅拌焊接阶段,摩拌头轴肩与上侧焊板上表面的摩擦产热使得搅拌头周围的焊接母材温度逐渐升高并软化,同时由于搅拌头的搅拌作用,母材发生塑性流动。经过一定时间的焊接,当两焊板完全焊合以后,搅拌头便以一定速度退出到指定位置,这是点焊的第三个阶段,即退出阶段,如图1(c)。Colegrove利用FLUNET软件建立了搅拌摩擦焊过程的三维材料流动模型,采用稳态求解器,假设材料无滑移,得出了该焊接过程详细的材料流动情况。Elangovan等分别用由不同的搅拌针轮廓和轴肩直径构成的搅拌头进行焊接,并对所得焊接接头进行了宏观观察,分析了搅拌针轮廓及轴肩直径对焊缝质量的影响。由于商用CFD软件包中的FLU-ENT软件可以对流体流动过程进行摸拟,所以本文也选用了此软件对FSSW过程的材料流动情况进行数值分析。1实验材料和搅拌头1.1al-mg-si-cu系铝合金本文选用2A14铝合金作为点焊材料,该铝合金是Al-Mg-Si-Cu系铝合金,具有较好的热塑性和可焊性。其化学成分和热物理参数参见文献。1.2轴肩搅拌防侧模型为分析搅拌头形状对点焊过程材料流动的影响,本文建立了不同轮廓的轴肩和搅拌针模型,即底面为平面(如图2a、b、c)和凹面(如图2d)的轴肩,圆柱形、三角形、方形搅拌针。所用轴肩的直径均为16mm,搅拌头转速均为600r/min。本文共创建了两组模型:第一组模型由平面轴肩和凹面轴肩组成,均采用直径为4mm的圆柱形搅拌针;第二组模型为三种不同形状的搅拌针(圆柱形、三角形、方形),即在搅拌头尺寸相同(轴肩直径为16mm,搅拌针最大旋转直径为4mm)、转速相同(600r/min)的情况下,观察搅拌针形状对流场的影响。1.3火炬点焊过程中的速旋转问题在搅拌焊接阶段,搅拌针完全插入待焊金属板,轴肩底面与上侧焊板上表面完全接触,整个搅拌头以恒定转速旋转,这是点焊的三个过程中最重要的一个过程,它影响着材料流动并最终影响焊缝质量。在该阶段,大部分参数保持恒定或变化很小,因此,计算中将流动问题视为稳态问题处理。将本文采用的铝合金材料视为非牛顿流体,为不可压缩、各向同性的粘塑性材料,并假设焊接过程中密度保持2800kg/m3不变。1.4搅拌针的变形域和几何模型在FLUENT的前处理器GAMBIT中建立的三维物理模型如图3所示,该模型主要包括一个圆柱(直径16mm、高6mm)和一个孔(最大直径4mm,高5mm),此小孔即挖空的搅拌针。圆柱区域被视为变形域,采用移动坐标系。该三维模型的上表面、内侧面和内底面的材料被认为粘在搅拌头表面上,即此处材料相对于搅拌头表面无滑移,并以与搅拌头相同的速度旋转。该三维模型的外侧面和外底面被视为静止面。2搅拌头钻孔切片在FLUENT中迭代结束后,为更清晰的观察焊缝内部材料的流动情况,将计算区域沿垂直于搅拌头轴线方向(水平方面)和平行于搅拌头轴线方向(垂直方向)进行切片,具体切片位置如图4。图5、6为材料流动速度矢量图,图中深红色箭头代表流动速度最大,深蓝色箭头代表流动速度最小,由蓝色到红色,流动速度逐渐增大。2.1凹面轴肩与上侧焊板的流场分布采用平面轴肩和凹面轴肩时(搅拌针为准4mm的圆柱形),材料的流动情况如图5所示。由图可见,与采用平面轴肩相比,由凹面轴肩引起的材料流动情况更明显。主要原因:在轴肩直径相同的前提下,与平面轴肩相比,凹面轴肩底面面积更大,这就意味着凹面轴肩与上侧焊板上表面接触面积更大,故摩擦所产生的热量更多,材料软化更快更彻底,材料流动情况也就更明显;而且由于凹面轴肩的底面与水平面成一定角度,故轴肩底部材料受沿轴肩底部向外的分力,这一分力也会导致材料流动范围增大。图5也说明,无论是平面轴肩还是凹面轴肩,材料最大流动速度不是在轴肩底部最外缘,而是在轴肩正下方靠近轴肩边缘的内侧。这是由于在轴肩最外缘,轴肩与外界温度较低的空气直接接触,散热较快;而且此处直接与周围母材接触,热传导较快,故此处的材料温度降低较快,软化程度较差,流动情况较弱。2.2搅拌针的流动范围在z=1平面处,材料的流动情况图如6所示。可见,与采用圆柱形搅拌针相比,当采用三角形搅拌针和方形搅拌针时,材料流动范围较大,这与文献所得结论基本一致。主要原因是,在转速相同的情况下,与圆柱形搅拌针相比,三角形搅拌针和方形搅拌针对周围材料的搅拌作用更大,使得金属颗粒受到周围材料更强烈的挤压,故材料变形更大,流动更强烈。与方形搅拌针相比,在靠近三角形搅拌针表面处,材料流动方向更复杂,尤其是在三角形三个角附近,这是三角形搅拌针的搅拌作用更大所致。3搅拌针形状对材料流动的影响(1)在其他焊接情况相同的情况下,与采用平面轴肩相比,当采用凹面轴肩时,