7075铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟研究

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搅拌摩擦焊获得的焊缝接头具有变形小、强度高等特点,故其能在航空航天、船舶及汽车等制造工业中得到广泛应用。然而,搅拌摩擦焊接是一个多因素交互作用下的高度非线性的复杂塑性成形过程,如何明晰其过程中温度场、材料流动等变化规律,以及焊接参数对焊缝材料温度及迁移的作用机理,已成为亟待解决的关键基础问题。为此,本文主要采用有限元模拟并结合理论分析,对上述问题进行系统深入的研究,对于搅拌摩擦焊接理论扩充及实践指导有着重要的意义。基于ABAQUS软件,建立了锥面带倾角的搅拌头的搅拌摩擦焊接过程热力耦合三维有限元模型,并验证模型可靠。发现等效塑性应变与材料流动速度的最大值均位于工件上表面与轴肩边缘接触处,并且随着焊接过程的进行而基本保持不变。等效塑性应变区主要位于搅拌头后方,而材料流动则主要分布在搅拌头周围,并且区域较狭窄。系统研究了温度场分布及焊接参数对其影响的规律,发现:(1)、温度场沿焊缝中心线基本对称,且搅拌头后方材料温度要高于前方。(2)、搅拌头周围焊缝材料温度先随转速增加而增大,后基本保持不变;离搅拌头较远处,搅拌头前方及前进边材料的温度随焊速增加而增大,而在搅拌头后方及返回边处则相反。(3)、随着焊速的增加,工件中温度影响区也随之增大,但搅拌头周围焊缝材料的温度基本不受影响;搅拌头前方焊缝材料的温度随焊速增大而减小,后方温度却随焊速增大而增大。深入研究了材料迁移行为及焊接参数对其影响的规律,发现:(1)、搅拌头前方及工件前进边焊缝材料在水平及厚度方向流动性最好(材料迁移量大),返回边处次之,而搅拌头后方则最差。(2)、返回边焊缝材料全部往工件上部迁移;而前进边上部金属往下迁移,下部金属往上迁移,流动混合加剧。(3)、随着焊速减小或转速增大,靠近工件上部的金属材料,不论位于前进边还是返回边,在厚度方向上的流动性增加,有利于获得良好性能的焊接接头。
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