搅拌摩擦焊数值模拟过程中不同转速与热输入功率之间关系研究

１ 模 型描 述 焊 接 薄板 的尺 寸均 为 ３４ｍ ×１１ｍ × ． ｍ， ０ ｍ ０ ｍ ６ ４ｍ 搅 拌头 转 速分 别 为 ３０ ４０ ６ ０和 １０ ０ｒｍｎ 焊 接 ０ 、０ 、５ ０ ／ ｉ，
２１ ０ ２年 第 ４期 １ ９
基金项 目：国家 自然科学 基金资助项 目（０ ０ ０ ７ ； １８２ １ ） 国家重点基础研究 发展计划（ ７ ９ ３计 划） 资助项 目（ ０ ０ Ｂ ３ ７４） 辽 宁省教育 ２１Ｃ ８２０ ；
的变化 对温 度场 分 布 的影 响 。
在 Ｆ Ｗ 的研 究 中 ， 热 过 程 是 一个 非 常 重 要 的方 Ｓ 传 面 。加深 对传 热 过 程 的认 识 ， 助 于预 测 焊 接 工 件 的 有 热循 环 以及 焊 接 区域 硬 度 的变 化 ， 高 焊 接 质 量 。 已 提 知 温度 场 的分 布 ， 建 立 材 料 流 动模 型 时 可 以计 算 温 在 度相 关 的材 料 黏 度 ， 模 型 更 合 理 。对 搅 拌 头 温 度 场 使 的预测 ， 有助 于 找到 防止 搅 拌 针失 效 的方 法 ， 别是 在 特 高熔 点 合金 的焊 接过 程 中 ， 如镍 合 金 、 合 金 和碳 素 例 钛
一
试验研究 ｔ 缛掳
搅 拌 摩 擦 焊 数 值 模 拟 过 程 中 不 同 转 速 与 热 输 入 功 率 之 间 关 系 研 究
大 连 理 工 大 学 （ １０ ４ １６２ ）
张 正伟
柳 占宇
张
王
昭
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刘亚丽
张 洪武
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江
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学
院（ 山市 ３ ６ ０ ） 王 晋 宝 舟 １０ ４
低 ， 高温 度约 为试 件熔 点 的 ８ ％ ， 最 ０ 避免 了焊 接 过 程 中 产 生 的金 属 氧 化 和 硬化 过程 中 可 能 出 现 的 凝 固裂 纹 、
收缩 和孔 洞现 象 ， 降低 了弯 曲变 形 和 残余 应 力 Ｊ可 ，
以得 到较 高质 量 的焊 接 接 头 。 由于 Ｆ Ｗ 的众 多优 点 ， Ｓ
厅 重 点 实 验 室 项 目 （ Ｓ ０ ０ ３ ） Ｌ ２ １０ ３ 。
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搅拌 摩 擦 焊 （ Ｓ 是 英 国 剑 桥 大 学 焊 接 研 究 所 Ｆ ｗ）
Ｔ ｏ ｓ 人 … 于 １９ ｈ ｍａ 等 ９ １年 发 明 的一 项 新 型 固相 低 温 焊
接 技术 ， 主要 应 用于 轻质 合 金 的焊 接 ， 在铝 合 金 焊接 中
有着广泛的应用 。与传统焊接相 比，Ｓ 焊接温度较 ＦＷ
系， 通过这 一函数表达式 ， 计算 出转速 为 ４ ０ｒｍｎ的热输入功率 ， ０ ｉ ／ 并与试验结果进行对 比 ， 误差小于 ５ ， ％ 从而验证 文中提出的热输入功率与转速 间的函数关 系的正确性 和有效性 。 关键词 ： 搅拌摩擦焊
中 图分 类号 ： Ｔ ０ Ｇ４ ２
数值模拟
温 度场
搅 拌头
转速
０ 前 言
Ｃ ａ 人 提 出 了试 件 的 三维 热 传 导模 型 ， 为 ｈｏ等 认 热源 的产 生 只是 轴 肩 与 工件 的摩 擦 生 热 ， 给 出 了 相 并 应 的产 热 速率 ， 通过 不断 更 改 输 人 热 流 的大 小 ， 到 与 得 试 验 匹配 的温度 场 ；ｒ ａｒ＿建 立 了 Ｆ Ｗ 的三维 传 热 Ｆｉ ａｄ８ ｇ Ｓ 模型 ， 同时采 用 内置 电热 偶 方 法 测 量 了搅 拌 摩 擦 焊 接 过程 的 温度 场 ， 将 数 值 结 果 与 试 验 结 果 进 行 对 比验 并 证 ；ｏｅｔａ方程 在 建 立 薄 板 的传 热 模 型 中 也 得 到 应 Ｒ ｓｎｈｌ 用 ；ｅｄｓｋ等 人 “ 用计 算 流 体 动 力 学 方 法 ， Ｂ ｎｚａ 假 设 材料 流动 为非 牛顿 流 ， 拟 了温 度 场 与 材 料 的流 动 ； 模 Ｋ ａ ｄ ａ 等人 ¨ ｈｎ ｋ ｒ 通 过 试 验 测 得 的 搅 拌 摩 擦 焊 设 备 的
数 值模 拟 可 以用较 低 的成 本 研 究 焊 接过 程 中温 度
场 的变化 ， 已得 到 广 泛 应 用 。文 中利 用 移 动 热 源 方 现
法建 立 了搅 拌 摩 擦 焊 过 程 的 三 维 瞬 态 传 热 模 型 ， 拟 模 和研 究不 同搅 拌 头转 速 下 对 应 的 温 度 场 ， 过 与 已知 通 试验 数据 ¨ 纠的对 比 ， 定 搅 拌 摩擦 焊 接 热 源 移 动 模 型 确
该 技 术 已经成 功 地 应 用 于航 空 航 天 、 车 和 船 舶 等 工 汽
业领 域 。 。
输入功率 ， 计算搅拌摩擦焊数值模拟 中的热源， 模拟 温 度 场 的分布 ； 华 等 人 Ⅲ 模 拟 了 Ａ ３ 张 】 Ｚ １镁 合 金 的温 度
场分 布 ； 俊等 人 ＿ 究 了搅 拌 摩 擦 焊 接 中不 同参 数 别 １ 研
中国北车 集 团大连机 车 车辆 有 限公 司（ １０ ２ １６ ２ ）
摘要
建立了搅拌摩擦焊接过程 的三维 瞬态传热模 型 ， 用移动热源模拟搅 拌头 的移 动。模拟 和研 究不 同搅 拌
头转速下对应的温度场 ， 通过反问题分析方法给 出了搅拌摩擦焊接热 源移动模型中热输 入功率与转 速间 的函数关
中热输人 功 率 与 转 速 间 的 函数 关 系 ， 过 这 一 函数 表 通 达式 ， 以有 效 计 算 不 同转 速 下 的搅 拌 摩 擦 焊 接 的 输 可
入功率 。
钢等。近年来 ， 已有诸多学者致力于 Ｆｗ 传热模 型的 Ｓ
研究 ］ 。
收 稿 日期 ： ０ １一ｌ 一１ ２１ 】 ８