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1060铝搅拌摩擦焊温度场数值模拟

王艳辉  
【摘要】:搅拌摩擦焊接是一个具有非线、时变性、混合换热边界和多变量耦合的复杂过程。搅拌摩擦焊技术一个重要的研究领域就是焊接过程的产热及温度场研究,搅拌摩擦焊接过程中产热机理及温度场分布规律对焊缝成形质量及力学性能等有至关重要影响,本文采用数值模拟和试验相结合的方法,研究搅拌摩擦焊温度场分布规律。 在数值模拟中,基于Abaqus有限元软件,考虑轴肩和搅拌针产热,依据摩擦学理论,按照Mises屈服准则,以剪切力做功为基本参数建立热源模型,利用J-C材料本构方程实现自适应产热模型。在试验中,采用热电偶测温技术,测得不同位置特征点温度循环曲线。将实验数据和数值模拟结果进行对比分析,结果显示该模型合理且具有较好精度,利用该模型进一步计算不同边界条件对温度场的影响规律。 通过对1060铝的4mm板温度场的分析计算,可以得到试板上任意点、任意时刻的温度值,可以直观了解焊接过程中动态的温度变化情况、不同方向上的温度总体分布规律。改变焊接工艺参数,得出焊速、转速及焊速转速比对温度场的影响,研究发现,旋转速度的大小只影响热输入的大小,不影响温度变化趋势,随着旋转速度的增大,温度随之升高,但不是按线性比例升高。随着焊接速度的增大,热积累时间变短,致使峰值温度随之减小,温度梯度变大;改变轴肩半径,分析结果显示,轴肩半径越大,整体温度场越高,但上下表面温差随之增大;使用铜垫板时,试板的温度峰值低于使用钢垫板;实际生产应用中,厚板铝合金焊接的难点主要在于上下表面温差过大,导致组织不均匀及焊接缺陷,通过对4mm、15mm板进行模拟得出分别对上下表面温度影响较大的参数,提出中厚板铝合金搅拌摩擦焊接的优化工艺参数。


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