搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型_朱智斌

1 黏滞滑动数学模型 FSW 过程中焊缝材料在流动时不仅存在材料与
材料间的相互作用， 也存在材料与搅拌头壁面间的 作用。 针对焊接过程中搅拌头与焊缝材料间存在的 相对滑动现象， 建立了描述该现象的黏滞滑动数学 模型。 应用该模型， 是通过确定焊缝材料在与其发
收稿日期： 2014-02-25 基金项目： 江西省青年科学基金 （20132BAB216024）
生接触的搅拌头壁面上流动的速度来实现的， 且将
该壁面称为黏滞滑动壁。 黏滞滑动壁是一个能有效
表征壁面运动速度和流体在与壁面作用并出现黏滞
滑动后流动速度的物理量。
材料在表面 s 上运动的切向速度称为滑动速度，
根据表面 s 上总的切向动量通量的关系， 其运动的
滑动速度可表示为：
us＝
1 2
［uλ＋（1－σv）uλ＋σv uw］，
所建立的几何模型中， 焊件尺寸为 200 mm×150 mm×10 mm， 如图 1 所示。 焊接时， 锥形螺纹搅拌头 长 度 为 9 mm， 轴 肩 半 径 为 15 mm， 根 部 半 径 为 6 mm， 螺距为 2 mm， 锥角为 15°。
15 5
-50 z yx o
0 -50 -100
-50
（1）
其泰勒展式为：
2 2 2 2 2 2 us＝
1 2
us＋λ
鄣u 鄣n
+ λ2 s2
鄣2u 鄣n2
+…
s
+
1 2
σv uw+
2 2 2 2 2 2 1
2
（1－σv）
us＋λ
鄣u 鄣n
+ λ2 s2
鄣2u 鄣n2
+… ，
s
（2）
式中： us 为滑动速度； uλ 为分子以一定平均自由行程 通过表面的 速 度 ； σv 为 切 向 动 量 协 调 系 数 ； uw 为 壁 面的运动速度； λ 为分子平均自由行程。
·工艺与新技术· 21
焊前预热对铝合金激光脉冲点焊的影响
肖 华 1， 朱宝华 1， 胡昱娜 2
（1．深圳市大族激光科技股份有限公司， 广东 深圳 518000； 2．资深制造设计工程师， 美国）
摘要： 针对铝合金脉冲激光点焊进行了焊前预热的研究， 对比了不同预热温度条件下焊点拉力的变化， 以及相同预热温度条件下改变
18 ·试验与研究· 文 章 编 号 ：1002－025X(2014)08-0018-04
焊接技术 第 43 卷第 8 期 2014 年 8 月
搅拌摩擦焊材料流动黏滞滑动模型
朱智斌 1， 崔俊华 1，2， 郭正华 1， 冯占荣 1， 赖晓春 3
（1．南 昌 航 空 大 学 轻 合 金 加 工 科 学 与 技 术 国 防 重 点 学 科 实 验 室 ， 江 西 南 昌 330063； 2．西 北 工 业 大 学 ， 陕 西 西 安 710072； 3．江西省高等院校科技开发办公室， 江西 南昌 330063）
Δu=us-uw
=
2-σv σv
λ μ
τs，
（4）
Welding Technology Vol．43 No．8 Aug. 2014
因此，
令
Ls
=
2-σv σv
λ，
可得：
us=uw
+
2-σv σv
λ μ
τs=uw
+
Ls μ
τ，
（5）
式中： μ 为流体黏度； Ls 为材料在壁面上的滑动距离。
2 搅拌摩擦焊数值模型 搅拌摩擦焊接过程中， 焊件的温度分布与焊缝
（14）
20 ·试验与研究·
式（12）~（14）中： hup， hdown 分别为焊件与空气 和 垫 板 间 的 热 交 换 系数 ， 取 hup=100 W/（m2·K）， hdown=1 000 W/（m2·K）［7］； T0 为室温； R 为波尔兹曼常数； ε 表示 表面发射率， ε=0．3。 2．3．2 流场边界条件
0 引言 铝合金激光焊接时的光束反射和等离子体屏蔽
效应极为强烈， 工件对光束能量的吸收很困难， 同 时易产生裂纹、 气孔、 接头软化等缺陷， 铝合金激 光 脉 冲 点 焊 在 20 世 纪 80 年 代 初 期 还 被 认 为 是 不 可能的［1］。 随着技术的发展 ， 激光焊接成为铝合金 结构连接最具有技术和经济优势的焊接方法， 由 原来的不可能变成了未来铝焊接技术的主要发展
0
图 1 几何模型
50
100
2．2 控制方程
将处于稳定焊接状态下的焊件材料视为流体进
行研究时， 假设其为各向同性、 黏性、 不可压缩非
牛顿层流流体， 并通过黏度将温度场与材料流动场
进行耦合分析。
质量守恒方程为：
Δ
ρ ·U=0，
（6）
动量守恒方程为：
ΔΔ
ΔΔ
ρ（U· ）U= ·［-pI+μ（ U+（ U）T）］+F，
所以， 由式 （1） 和式 （2） 可以得到材料因滑
动而产生的速度变化量：
22 2 2 2 2 us-uw=
2-σv σv
λ
鄣u 鄣n
+ λ2 s2
鄣2u 鄣n2
+…
s
。
（3）
根 据 Navier-Stokes 方 程 和 库 埃 塔 流 动 法 则 ［4］，
令 Δu=us-uw， 式 （3） 可表示为：
（7）
能量守恒方程为：
Δ ΔΔ
ρCU· T= ·（ner－Hollomon 流动应 力公式可知， 流体材料的黏度［5］为：
·试验与研究· 19
姨
1姨
姨
姨姨
姨姨
姨姨
μ=a
sinh
姨姨 姨姨
1
姨 3 姨 姨
姨姨
姨 姨 Q1 γ觶 e RT
姨m
姨 姨
姨姨
姨 姨 姨
图 4 纵截面速度分布云图
4 结论 针对焊接过程出现的相对滑动现象建立的黏滞
滑动数学模型， 在经过基于流体力学所建立的数值 模型进行仿真分析后， 所得的温度场和速度场与实 际吻合， 验证了所建立的黏滞滑动模型的有效性。
Welding Technology Vol．43 No．8 Aug. 2014 文 章 编 号 ：1002－025X(2014)08-0021-03
焊接方向
图 2 温度分布云图 焊接方向
图 3 速度分布云图
此外， 从纵截面速度分布云图 （图 4） 中可以发 现， 焊缝金属材料流动速度分布与焊缝宏观组织形 貌较吻合， 且金属流动最大速度出现在靠近轴肩边 缘的轴肩内侧 （约 85％轴肩半径处）， 而不是搅拌头 边缘， 这与程磊等人［3］所得结果吻合。
3 结果分析 搅拌摩擦焊作为一种固相连接方法， 焊件材料
在焊接过程中并未熔化， 其最高温低于熔点。 模拟 结果如图 2 所示， 焊接过程中焊件的最高温度为 734．63 K （约为材料熔点的 80％）， 且其温度分布以 搅 拌 头 为 中 心 向 外 辐 射 呈 椭 圆 状 ， 这 与 McClure 等 人 对 ［10］ 同 种 材 料 进 行 试 验 所 测 得 的 结 果 吻 合 。 焊 接 过程中， 焊缝材料虽紧贴搅拌头流动， 但因为达到 材料熔点而始终处于拟塑性状态， 其高黏度的特征 使得金属在搅拌头壁面上发生滑动。 模拟所得黏滞 流动速度分布如图 3 所示， 其最大速度为 0．184 6 m/s，
6061－T6 铝 合 金 热 导 率 、 比 热 容 、 密 度 和 屈 服 应力都随温度的变化而变化 ， 其准确数据 是 ［8－9］ 获得 更精确结果的前提。
焊接技术 第 43 卷第 8 期 2014 年 8 月
小 于 该 点 所 对 应 搅 拌 头 旋 转 线 速 度 。 这 与 Liechty［2］ 等人试验所得的结论吻合。
本模型在模拟时， 将搅拌头固定、 焊件材料作 为流体沿焊接方向的负方向流入并流出求解域。 由 于金属的塑性流动只发生在焊缝， 故焊件外表面作
为流体流动壁条件时， 满足移动壁条件。 材料流入、 流出速度与移动壁上材料流动速
度为：
u＝ui，1 ＝uo，1 ＝um，w ＝－uweld，
（15）
式中： ui，1 为材料流入求解域的速度； uo，1 为材料流出
激光峰值功率的变化， 结果表明， 焊前预热能有效抑制焊接裂纹， 极大地提高了焊点拉力， 同时在预热条件下， 较低的激光峰值功率
亦能获得很大的焊点拉力。
关键词： 铝合金； 激光点焊； 预热； 裂纹
中图分类号： TG456.7
文献标志码： B
DOI:10.13846/12-1070/tg.2014.08.008
热源为焊件提供热量， 主要由四部分组成： 轴
肩与焊件间的摩擦生热， 搅拌针侧面与焊件间的摩
擦生热， 搅拌针底部与焊件间的摩擦生热和材料塑
性变形产热。 其表达式［6］为：
q1+q2+q3=φ·τyield n·（x2+y2）-uweld·y ， 姨x2+y2
（10）
τyield＝ ReL ， 姨3
（11）
材料的流动行为是焊接头成形质量的决定性因素。 在此耦合温度场与材料流动速度场， 建立基于流体 力学的黏滞滑动数值模型， 对 6061－T6 铝合金 FSW 焊接过程进行模拟， 分析室温为 273．15 K， FSW 焊 接 过 程 中 搅 拌 头 转 速 为 600 r/min， 焊 接 速 度 为 0．001 6 m/s 时焊件的温度分布和焊缝材料黏性流动 规律。 2．1 几何模型
关键词： COMSOL Multiphysics； 搅拌摩擦焊； 黏滞滑动； 材料流动
中图分类号： TG456．9； O242.1