2A12铝合金搅拌摩擦焊温度场及塑性材料流动的数值分析

【摘要】： 搅拌摩擦焊是一种新型固相连接方法,具有能耗低、效率高、绿色环保等特点。开展搅拌摩擦焊温度场和材料塑性流动行为的研究,对于优化焊接工艺参数,保证焊缝成形质量,具有十分重要的意义。 在2Al2铝合金搅拌摩擦焊接过程中,通过改变焊接工艺参数,如搅拌头的旋转速度、焊接速度、轴向压力等,考察工艺参数对焊缝成形质量的影响,获得良好焊缝成形相对应的工艺参数。对接头的焊合区、热力影响区、热影响区和母材区进行微观组织分析。通过在铝板不同位置嵌入铜合金的方法追踪了塑性材料的流动情况。 对搅拌摩擦焊的温度场进行了有限元分析。建立了恰当的搅拌摩擦焊接的产热模型,其热源包括搅拌头的轴肩和工件的摩擦生热以及搅拌针和周围材料作用生成的热。将2A12铝合金搅拌摩擦焊接温度场的数值分析结果与实测结果进行了对比,吻合良好。 应用流体动力学理论构建了搅拌摩擦焊过程的塑性材料流动模型。用连续性方程、动量守恒方程和能量守恒方程描述搅拌摩擦焊过程中材料的塑性流动状态。建模时将铝合金材料看作是粘塑型、非牛顿、不可压缩的流体以稳态、层流的方式绕过一个旋转的圆锥状带螺纹的探针。模拟结果表明,前进边和回撤边的材料均从回撤边绕过搅拌针而流动；搅拌头的旋转速度对塑性材料的流动影响显著,随着转速的增加,热力影响区增加；焊接速度对热力影响区范围影响不是很明显。