（材料加工工程专业论文）2014铝合金fsw焊接过程塑性流动模拟与试验研究.pdf

晴尔滨工业大学t 学硕l 学位论文 = = = = ： ：= = 竺= ：= = = ：= ：= = = =- ：= 型= ： ：= = = = = = 竺= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 摘要 本文建立了2 0 1 4 铝合金f s w 焊接过程材料的塑性流动模型，针对不同 形式的搅拌头、不同焊接工艺参数条件下材料的塑性流动进行了数值模拟， 并对模拟结果与试验结果进行了研究。 f s w 焊接过程中，被焊材料可看作是高粘度、不可压缩的非牛顿流 体，其流动形式为层流，粘度模型由z e n n e r - h o l l o m o n 公式确定。通过二维 条件下的稳态模拟，探索出适合f s w 过程塑性流动模拟的计算迭代步骤。 在此基础上进行了三维条件下的稳态流动模拟。对锥形螺纹探针+ 凹轴肩形 式搅拌头，焊接速度为1 0 0 m m m i n ，旋转速度为4 0 0 r p m 工艺参数下的模拟与 试验结果进行了对比分析，提出一种联合粘度场、速度场对焊接区域进行划 分的方法。搅拌头周围的_ o 易流动区域对应于焊核，”1 粘度带在焊缝横截面 对应t m a z 区，在焊接方向对应材料进入和脱离焊接状态的分界。三维模拟 中材料的垂直方向流动与标记嵌入试验结果吻合较好。 分析了不同形式搅拌头对材料流动的影响。带有圆台形探针的搅拌头模 型在焊缝底部易流动区附近，材料出现分离的运动，而带有平轴肩的搅拌头 模型在焊缝顶部轴肩下方易流动区附近，材料出现分离的运动。易流动区附 近材料的分离运动容易导致缺陷，实际焊接中也在相应位置出现了孔洞缺 陷。分析表明，锥形螺纹探针+ 凹轴肩是比较合理的搅拌头形式。 分析了工艺参数对材料流动的影响。减小旋转速度，焊缝中部和底部 _ o 易流动区内材料运动不均匀，_ l 粘度带变窄而且靠近探针，容易产生缺 陷或造成焊接过程不稳定。增大焊接速度，口。易流动区受到的影响不大， 但是焊缝中部和底部野i 粘度带变窄，但仍与探针有一定距离。焊接工艺参 数对t 。粘度带的影响与标记嵌入试验结果吻合较好。高焊速时，焊缝顶部 轴肩与探针过渡处，易流动区附近有材料的分离运动，实际焊接中也在此处 出现缺陷。 关键词搅拌摩擦焊；塑性流动；数值模拟：2 0 1 4 铝合金 a b s t r a c t a p l a s t i cm a t e r i a lf l o wm o d e lh a sb e e ne s t a b l i s h e df o rt h ef s wp r o c e s so f 2 0 1 4a l u m i n u m a l l o y ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc o n d u c t e du s i n g d i f f e r e n tt o o l su n d e rd i f f e r e n tw e l dp a r a m e t e r s t h em a r k e ri n s e r tt e c h n i q u e s h a v eb e e n a p p l i e d t ot e s tt h em o d e l i n gr e s u l t s i nt h ef s w p r o c e s s ，m a t e r i a l c a nb es e e na sah i g hv i s c o u s ，u n c o m p r e s s i b l e ， l i o n - n e w t o n i a nf l u i d ，a n dt h ef l o wb e h a v i o ri sl a m i n a r t h ev i s c o s i t ym o d e li s d e r i v e df r o mz e n n e h o l l o m o ne q u a t i o n ，2 - d i m e n t i o n a lm o d e l sp r e s e n tp r o p e r c o m p u t i n gs t e p s f o rt h i s s p e c i f i c f s wp r o c e s s f u r t h e r m o r e ，3 - d i m e n t i o n a l s i m u l a t i o n sh a v eb e e nc a r r i e do u tu s i n gt h ef r i c t i o ns t i rt o o lw i t hs c r e wt h r e a d p i na n dc o n c a v es h o u l d e r n l ew e l dp a r a m e t e r su s e di nt h i sm o d e li st h ew e l d i n g s p e e do f 10 0m m m i na n dt h er o t a t i n gs p e e do f4 0 0 r p m a c r i t e r i o nt od i v i d et h e w e l dz o n eh a sb e e na c q u i r e do nt h eb a s i so fv e l o c i t yf i e l da n dv i s c o s i t yf i e l d t h er o - e a s y f l o w - z o n ee x i s t e dn e a rt h et o o l p i n ，i sc o r r e s p o n d e dt o t h ew e l d n u g g e tz o n e a n dt h - v i s c o s i t y b a n di sc o r r e s p o n d e dt ot m a z i nt h ec r o s ss e c t i o n a l o n gt h ew e l d i n gd i r e c t i o n ，_ l _ v i s c o s i t y b a n di sc o r r e s p o n d e dt ot h eb o r d e r l i n e w h e r em a t e r i a lm o v e si no ro u to ft h ew e l d i n g r e g i o n v e r t i c a jf l o w so b s e r v e di n 3 - d i m e t i o n a lm o d e l sm a t c hw e l lw i t ht h em a r k e ri n s e r te x p e r i m e n t s t h ei n f l u e n c eo ft o o lf o i m sh a sb e e n a n a l y z e d m o d e l i n gr e s u l t sh a v es h o w n t h a tc o n ep i nt e n d st oc a u s es e p a r a t e dm o t i o nn e a rt h eq 0 - e a s y - f l o w - z o n ei nt h e l o w e r p a r to f t h ew e l d ，a n df l a ts h o u l d e rt e n d st oc a u s es e p a r a t e dm o t i o nn e a rt h e 玎o - e a s y f l o w z o n ei nt h eu p p e rp a r to f t h ew e l d i ft h i sk i n do f s e p a r a t e dm o t i o n b r i n g s o u tag a pw h i l et h e r ei sn om a t e r i a lt of i l l i n ，aw e l dd e f e c tw i l la p p e a r w h i c hh a sb e e no b s e r v e da tt h es a m e p o s i t i o ni na l la c t u a lw e l d i n gp r o c e s s t h ei n f l u e n c eo fw e l dp a r a m e t e r sh a sb e e na n a l y z e d a s r o t a t i n gs p e e d d e c r e a s e s ，i tc a nb es e e nf r o mt h em i d d l ea n d1 0 w e rp a r to ft h ew e l dt h a tt h e ”l v i s c o s i t y b a n dw i l lb e c o m es m a l l e ra n dn e a r e rt ot h ep i na n dp l a s t i cf l o wi nt h e t 0 - e a s y - f l o w - z o n eg e t su n i f o r m ，w h i c hi sl i k e l yt oc a u s ew e l dd e f e c t sa n dw e l d p r o c e s si n s t a b i l i t y a st h ew e l d i n gs p e e di n c r e a s e s ，t h e _ 0 - e a s y - f l o w z o n e i s a f f e c t e ds l i g h t l y , w h i l et h e ”i v i s c o s i t y b a n dg e t ss m a l l e rb u ts t i l ld i s t a n tf r o m t h ep i n m o d e l i n gr e s u l t sm a t c hw e l lw i t ht h em a r k e ri n s e r te x p e r i m e n t s u n d e r n h i g h e rw e l d i n gs p e e d ，s e p a r a t e dm o t i o n c a r lb es e e ni nt h es h o u l d e r - p i nt r a n s i t i o n p a r t ，a n da na c t u a lw e l dd e f e c th a sb e e no b s e r v e da tt h es a m ep o s i t i o ni nt h e w e l dl i n e k e y w o r d sf s w ；p l a s t i cf l o w ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ；2 014a l u m i n u ma l l o y i i i 哈尔滨t 业大学工学硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 搅拌摩擦焊( f r i c t i o ns t i rw e l d i n g ：f s w ) 是由t w i ( t h ew e l d i n g i n s t i t u t i o n ) 开发的一种新型固相连接技术，具有诸如构件变形小，无裂纹、 气孔等焊接缺陷，焊接过程无须填充材料，无飞溅，操作安全，以往通过传 统熔焊方法无法实现焊接的材料可以通过f s w 实现焊接，被誉为“继激光焊 后又一个革命性的焊接技术”。 国内外对f s w 的研究主要集中于各种材料的焊接性，焊接工艺，接头 力学性能，腐蚀性能，组织结构分析及焊接设备开发等方面f o ”。对于f s w 的机理，如焊接过程中温度场、材料塑性流动等研究较少。而研究f s w 过 程的产热和传热，材料的塑性流动对于分析材料的焊接工艺性，解释f s w 的焊接现象，缺陷成因，预测组织和应力，优化搅拌头设计及焊接工艺参 数，提高焊接质量等具有重要的理论意义和应用价值。 受北京赛福斯特公司的委托，本课题针对2 0 1 4 铝合金，平板对接f s w 焊接过程材料的塑性流动建立数学模型，并进行数值模拟和试验验证。 1 2 国内外研究现状 f s w 原理如图1 一l 所示，焊接时搅拌头缓慢扎入母材中，在搅拌头的摩 擦搅拌作用下，其周围的材料形成塑性层，向搅拌头后方移动，冷却后形成 焊缝。为了论文描述方便，对f s w 焊接过程的有关术语说明如下：前进边 ( a d v a n c i n gs i d e ) ：搅拌头旋转速度沿焊缝方向矢量分量与焊接速度相同的 一侧；回撤边( r e t r e a t i n gs i d e ) ：搅拌头旋转速度沿焊缝方向矢量分量与焊接 速度方向相反的一侧。 f s w 焊缝组织结构与传统熔焊焊缝有所不同。图1 2 为f s w 焊缝典型 组织结构的宏观照片。其中，热影响区( h a z h e a ta f f e c t e dz o n e ) 与传统 熔化焊的热影区概念相同；焊核( w e l dn u g g e t ) 具有典型的洋葱环结构，同时 焊接过程中发生强烈的动态再结晶；热机械影响区( t m a z t h e r m o m e c h a n i c a la f f e c t e dz o n e ) 是f s w 的特有结构，这部分金属受焊接热和力的 作用，但只有少量的塑性变形，有自身的组织形成特点，通常是焊缝的薄弱 环节。 图1 - lf s w 焊接示意圈 图卜2f s w 焊缝横截面宏观照片 国内外对f s w 的研究工作集中于以下几个方面： 一、焊缝组织特点 l e m u t t t 2 1 等研究了1 l o o 铝舍金的动态重结晶过程。1 1 0 0 铝合金母 材具有较大的柱状晶，采用f s w 焊接后。大的柱状晶消失，得到细小的等 轴晶粒，平均直径为4 1 a m ，焊屠硬度没有明显改变。b e a t eh e i n z i ”1 研究发 现，6 0 3 l 铝合金f s w 焊缝组织形态受到焊接工艺和母材原始组织影响。 h a i o uj i n l l 4 1 对5 1 8 2 铝合金的f s w 焊缝采甩x 射线衍射分析发现，焊缝组 织为三斜方晶结构，是一种旋转立方晶体。 二、焊缝力学性能 f s w 焊缝的力学健能普遍超过传统熔焊焊缝。w m t h o m a s 岱l 等人对 5 0 r a m 厚6 0 8 2 铝合金进行f s w 焊接，焊缝纵向试件通过了1 8 0 0 落锤试验， 焊缝的断裂机制与母材相同。t w i 的w ，m 。t h o m 鑫s 【m j 对1 2 m m 厚1 2 c r 不 锈钢采用双面焊接，焊缝试件通过了1 2 0 。三点弯曲试验，综合力学性能均 较传统熔焊有显著提高。 三、搅拌头设计 搅拌头形状对焊接质量有真接影响，它决定了加热、塑性流动和塑性材 料被顶锻的模式。各国学者对此研究也比较多，而且专利也主要集中在这方 面。t w i 对搅拌头形状的研究较早，目前已经开发了三个系列的搅拌头分 别是w h o r l t m ，m xt r i f l u t e 7 m 和b o b b i nt o o l s 。另外，t w i 提出了一些搅拌 哈尔滨工业大学- t 学硕士学位论文 头的改进措施，如增加了冷却装置，表面涂层改性，复合式搅拌头等，大大 增加了搅拌头的使用效率和寿命【1 ”。 四、塑性流动的试验研究 1 国外研究现状 一些学者采用试验方法对流场进行了初步的显示和研究，这些工作可以 统称为“流场可视化研究”。 1 ) 异种材料焊接 y i n gl i 等l l 副研究了2 0 2 4 铝合金与6 0 6 1 铝合金f s w 焊接时复杂的流 体流动行为，这两种金属在焊后形成了具有复杂涡流状特征的无序动态混合 薄片夹层结构。金属流动轨迹因这两种金属不同的腐蚀性能丽实现可视化， 如图1 3 所示。 图1 - 32 0 2 4 与6 0 6 1 铝合金f s w 接头横截面【1 8 1 h e l e n al a r s s o n f 9 】研究了5 m m 厚5 0 8 3 h 1 2 f 1 6 0 8 2 t 6 铝合金对接焊 时材料的流变情况。研究结果表明，异种焊接接头的微观组织与典型的 f s w 接头非常相似。焊核的圆环状流线更为明显，由交替的圆环或出不同 成分的区域界面组成，如图1 - 4 所示。 图1 - 4a 5 0 8 3 - a 6 0 8 2 异种材料对接焊焊缝横截面1 1 9 j h o u y a n g 和r k o v a c e v i c t 2 0 】研究1 2 7 r a m 厚的6 0 6 1 铝合金对接p a r 6 0 6 1 与2 0 2 4 两种合金对接f s w 焊接时材料的流动与微观组织。研究结果 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表明，在同种和异种材料焊接时，材料都发生了严重的塑性变形、流变和机 械混合，且具有明显的不对称特征。 m o u e r r a t 2 1 1 采用6 3 r a m 厚度的不同铝板进行搭接焊，上半部份为2 1 9 5 铝锂合金，下半部分为6 0 6 1 铝合金。用凯勒试剂腐蚀后，这些铝板由于耐 腐蚀性能不同，从上到下可以很容易看到材料的运动和变形。 t a k e s h is h i n o d a 2 2j 采用异种材料焊接的方法研究了搅拌头倾斜角度对材 料的塑性流动的影响，他指出：材料的塑性流动包括两个方向的流动。一个 是底部的流动，一个是表面的流动。垂直搅拌头的倾斜角对流动的交汇点有 影响。 2 ) 急停技术 c o l l i g a n l 2 3 1 做了“急停试验”( s t o pa c t i o n ) ，试验材料都选用6 4 r a m 厚度 的6 0 6 1 t 6 铝合金板材。在焊接时突然停止搅拌头行走和转动，然后将带螺 纹的探针迅速从工件中反转出来，探针周围的材料可以原样保留。这些信息 对于了解焊缝的形成非常重要，并且有助于优化搅拌头设计，提高焊接质量 和效率。c o l l i g a n 认为f s w 过程是材料搅拌和挤压共同作用的结果。 m g u e r r a ”j 等人采用在焊缝对接面设置跟踪示片和探针冷冻( n i b f r o z e n ) 技术，观察材料的流变。被焊材料为( 6 f 3 r a m ) 厚度6 0 6 1 铝合余，在 焊接对接面上放置纯铜箔片，厚度为0 1 m m 。当焊接达到一个稳定状态 时，探针旋转和焊接试件行走同时停止，这样就可以瞬时产生一个相对于探 针的“冷冻”的试件，如图1 5 。研究结果表明，材料的转移由两个过程组 成：材料的剥离和填充。 3 ) 嵌入标记材料 图i 5 探针冷冻技术f 2 1 ：丝堡些垡型丝些丝鎏一 c o i l l i g a n l 2 3 】通过在焊缝中加放小钢球作为示踪标记的方法，研究了材料 的塑性流动。他在工件对接面的不同位置放置小钢球。焊接后，通过在水平 面和横截砸进行x 射线照相的方法获得小钢球焊后的分布位置，从而获得 材料流动及挤压变形的信息。 s e i d e l 和r e y n o l d1 2 4 埘1 等采用标记嵌入技术( m a r k e ri n s e r tt e c h n i q u e ) 对 f s w 焊接8 1 m m 厚2 1 9 5 t 8 铝合金时材料的流动进行了研究。标记是由 1 8 m m 厚5 4 5 4 h 3 2 铝合金制成的，被放置在焊缝结合面( f ac i n gs u r f a c e ) 不 同位置中。焊后经过凯勒试剂腐蚀，从金相照片上就可以看到它们的最终位 置。 b l a i rl o n d o n l 2 6 】采用6 3 5 r a m 厚7 0 5 0 t 7 4 5 1 铝板对接焊，以微小的 a i 3 0 v 0 1 s i c 复合材料作为标记，焊接后不经过腐蚀就可以进行观察。试 验中使用两种不同尺寸的a 1 s i c 标记。一种是离散标记，另外一种是连续 性标记。每一种材料都被嵌入到前进边一侧板件对接面的中间层。焊接时使 搅拌头偏移对接中线，这样就可以得到前进边、回撤边和中心线上的标记在 焊接后的最终位置，如图1 6 所示。 f a ) w e l d1 3 i r a c t l o n - 刚1 6 b l a i rl o n d o n 试验标记材料放置示意图【2 6 ( a ) 为离散标记，( b ) 为连续标记 j a s c h n e i d e r 和a c n u n e sj r 【2 7 】采用一个细小的直径为o 0 0 2 5 英寸 ( o 0 6 3 r a m ) 的钨丝作为标记来示踪0 3 3 英寸( 8 3 l m m ) 厚度的2 1 9 5 铝锂合金 f s w 过程中材料的塑性流动。相比较而言，钨丝示踪法有以下优势：1 、钨 丝的直径可以做的比小球小的多，能够更好的观察到流体流动；2 、搅拌头 附近材料流动的压力信息可以由钨丝断裂尺寸获得；3 、通过金相或x 射线 检测可以得到焊后钨丝的位置，更容易处理；4 、观察到的流动图样与宏观 流动合成模型相一致。 2 国内研究现状 国内一些学者也作了流场可视化的研究。黄奉安 28 】用紫铜作标记材 料，进行l f 6 铝合金f s w 对接试验，焊后截取了焊缝的水平面，对标记材 料在焊缝中的流动进行了分析。作者尝试建立了一个二维挤压模型，在该模 型中认为在探针的周围有一个形状不变的热塑性区域，并用运动分解、合成 的方法研究了探针周围热塑性材料的流动趋势，如图1 7 所示。 图1 7 二维挤压流动模型示意图2 8 栾国红【2 9 1 设计了f s w 对接和搭接接头的纵向焊接试验，试验包括以下 几个部分：开敞式接试验、插入式焊接试验、纵向“急停”试验、纵向搭接试 验。 张彦富口0 j 研究了f s w 焊缝区温度分布对材料流动的影响。在前进边， 塑化的材料不能越过或不能完全越过搅拌头前端向回撤边流动，而是逆着搅 拌头旋转方向向后流动。在f s w 焊接过程中，材料分别从探针的两侧流 动。当焊接参数选择不当或者搅拌头形状不合理时，就会在材料汇合处形成 孔洞或隧道缺陷。 张华u ”在a z 3 l 镁合金待焊表面镀一层很薄的铜层来研究材料的塑性 流动情况。试验结果表明，搅拌头首先搅动前进边的材料，使它们进入围绕 搅拌头旋转和移动的区域；旋转区域的材料运动成螺旋状，在搅拌头的活动 区域内，材料旋转、前进、下降，而在旋转区域之外，材料向上运动。 六、塑性流动的数值模拟 以上的工作推动了对f s w 过程材料塑性流动的研究，但是上述的试验 只能获得材料焊接后的信息。对焊接过程中材料的塑性流动只能作适当猜 测，而且用试验方法观测材料焊接时的状态几乎不可能实现。因此，为进一 步研究材料在焊接时的流动情况许多学者将研究转向f s w 过程的数值模 拟。 “ s e i d e l 副等建立了二维f s w 模型，认为粘度散耗是产热的唯一原因， 使用z e n e r h o l l o m o n 方程推导出由温度和应变速率决定的粘度公式，模拟 了搅拌头附近材料的流动情况，模拟结果显示材料均绕过回撤边一侧向探针 后方流动。 d o n g 3 3 】等建立了三维热塑材料流动模型，认为摩擦产热在f s w 焊缝上 部占主要部分，而塑性变形产热在底部占主要部分。搅拌摩擦中的材料流动 可以看作是边界层的材料流动现象，这个边界层占塑性滑动区域的主要部 分。 c o l e g r o v e 3 4 1 还应用商用计算流体力学软件f l u e n t 模拟了f s w 过程中 金属材料的塑性流动，建立了t r i v e x t m 搅拌头和t r i f l u t e t m 搅拌头的三维滑 动模型。这些模型揭示了材料围绕探针的三维流动情况，并预测了探针横向 压力和纵向压力。模拟的压力输出与试验数值吻合较好。但这个模型没有考 虑搅拌头倾斜角度、轴肩上的同心圆环以及搅拌头探针顶端冠状凸起对流体 流动的影响。 c o l e g r o v e l 3 5 1 分析比较了两种生热模型：滑动摩擦生热和界面剪切生 热，建立了包括垫板和带螺旋的探针在内的热模型。对f s w 过程热塑流动 模型进行了描述，认为塑性材料相对于探针界面滑动，如图1 8 所示。 b e n d z s a k l 3 6 1 等对焊缝区域用共轭的n a v i e r - s t o k e s 方程并依据非线性力 学的方法描述建立了兰维流动模型，如图1 - 9 所示。输出结果包括：三维的 速度流线、压力分布、温度场、完整的剪切应力场、搅拌头表面力的分布、 搅拌头受力和力矩。 图1 8c o l e g r o v e 的模型示意图 图1 9b e n d z s a k 的模拟结果【3 6 1 t w i i 驹s m i t h t 3 7 1 对f s w 过程材料的塑性流动模拟作了细致的总结。描述 材料的流动行为有两大类方法，一种是基于固体力学l a g r a n g i a n 方程的物质 描述( m a t e r i a ld e s c r i p t i o n ) ，通过固定在材料上的点对变形进行描述；另一 窒玺鎏三些奎兰三茎堡圭茎堡鎏圣 种是基于流体力学e u l e r i a n 方程的空间描述( s p a t i a ld e s e r i p t i o n ) ，通过固定在 空间上的点对变形进行描述。前者适用于对固体的描述，后者适用于对流体 的描述。 1 3 本文研究内容 本课题针对8 m m 厚2 0 1 4 铝合余平板对接f s w 焊接过程材料的塑性流 动进行模拟，研究内容如下： 1 建立材料特性和材料稳态流动的数学模型，包括材料物理性能，热 模型及运动控制方程： 2 进行二维情况下的稳态流动模拟，探针为最简单的圆形探针，主要 目的是探索适合本文研究对象的数值模拟方法与步骤 3 设计三维f s w 模型，并进行三维条件下的稳态流动模拟，研究 f s w 过程塑性材料的流动规律，比较不同形式搅拌头以及工艺参数对流动 的影响。 ：一：墅鎏些塑篓生塑篁鳖：一 第2 章数学模型的建立 本文以流体力学理论为基础，建立了f s w 过程材料塑性流动的模型 并使用f l u e n t 软件进行模拟。 。 2 1f l u e n t 简介 f l u e n t 是大型通用c f d 软件( c o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c s ：计算流体 力学) 。f l u e n t 软件能推出多种优化的物理模型，如定常、非定常流动，层 流( 包括各种非牛顿流模型) ，紊流( 包括最先进的紊流模型) ，不可压缩和可 压缩流动，传热，化学反应等。对每一种物理问题的流动特点，有合适的数 值解法，用户可对显式或隐式差分格式进行选择，在计算速度、稳定性和精 度等方面达到最佳。f l u e n t 将不同领域的计算软件组合起来，在c f d 计算 机软件、软件群之间可以方便地进行数据交换，并采用统一的前、后处理工 具，节省了科研工作者在计算方法、编程、前后处理等方面投入的重复、低 效的劳动，可以将研究集中于物理问题本身的探索上。在f l u e n t 6 0 中，采 用g a m b i t 的专用前处理软件，可将网格划分为多种形状。对二维流动，可 以生成三角形和矩形网格；对于三维流动，则可生成四面体、六面体、三角 柱和金字塔等网格，结合具体计算，还可生成混合网格，其自适应功能可以 对网格进行细分或粗化，或生成不连续网格、可变网格和滑动网格。 2 2f s w 过程塑性流动数学模型 2 2 1 材料物理模型 f s w 塑性流动模型中，2 0 1 4 铝合金在整个焊接区域内看作是流体。塑 性流动的金属( 忽略弹性变形) ，可以认为是一种高粘度的、不可压缩的非牛 顿流，其流动形式是层流。搅拌头影响不到的区域是连续一致的固体，为计 算方便统一处理为粘度无穷大的流体。 粘度在流场计算中是一个非常重要的物理参数，它与温度和应变速率有 关，根据文献 3 8 】粘度，7 由式( 2 1 ) 决定： 式中玎粘度( k g l ( m s ) ) ； 孑材料应变速率( s 。) 盯流动应力( m p a ) ； r 绝对温度( k ) 。 玎：掣( 2 1 ) j s 粘度公式中的应变速率和温度可在解算过程中由模拟软件获得。材料的 流动应力由z e n n e r h o l l o m o n 公式3 9 1 决定如公式( 2 2 ) ： 邢两= l 叫l n i ( z ( t 爿, i - ) ，i - + 1 + ( 牢门“2 弘z ， z ( 硐南x - ( 昙) 式中q - 一激活能( j - m o l 。) 。 r 8 31 4j - t o o l k 一： 口、a 、，l 与材料有关的常数。 结合式( 2 一1 ) 、( 2 - 2 ) 得到最终的粘度表达式( 2 3 ) ： 叩= 剐孕 “十( 孕门”2 陋， 文献 4 0 1 给出了1 x x x x 一7 x x x x 系列铝合金a 、i n a 、聍等常数值。2 0 1 4 铝合金相应参数为：口= o 0 1 1 8m p a ，q = 1 7 6 8 6 7j t o o l ，i n a = 3 1 4 3s ， n = 5 8 6 。2 0 1 4 合金密度为常数2 8 0 0 k g m 3 。 公式( 2 - 3 ) 是模拟过程中粘度的计算式。解算过程中，每一步迭代计算 该粘度都要被重新计算，因此须通过f l u e n t 的u d f ( u s e rd e f i n ef u n c t i o n l 功能将该粘度决定式引入模型，迭代时由软件调用求解。u d f 程序为c 语 言程序，并以f l e u n t 规定的宏编写，见附录。 被焊金属经历了从低温到高温较大范围的温度变化，故不能用定常的热 物理参数建立热模型。文献 4 0 】给出了2 0 1 4 铝合金的导热率 与比热g 随 温度的变化，如表2 1 和表2 2 所示。 表2 - 12 0 1 4 铝合金不同温度卜导热率 【4 0 温度r 2 5l o o2 0 03 0 0 4 0 0 导熟率l 1 5 91 6 71 7 618 0i8 0 w ( m ) 表2 - 22 0 1 4 铝合金不同温度f 比热g f 4 0 】 温度r 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 导热率2 8 3 78 3 78 7 99 2 l9 6 31 0 4 71 0 8 9 j ，( k g ) 由于以上数值过于离散且没有4 0 0 c 以上的数据，故通过拟合得到a 的 计算公式( 2 4 ) 和。计算公式( 2 5 ) ： 2 = 1 0 3 2 6 4 + 0 2 4 1 t + 0 ，0 0 0 2 t 2 6 = 7 5 4 0 8 + 0 3 7 2 9 t + 0 0 0 1 2 t 2 模型的热量来源是材料的粘度散耗( v i s c o u sd i s s i p a t i o n ) 个与粘度和速度梯度密切相关的量，如公式( 2 6 ) ： ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 粘度散耗是一 西= 彳( ，孑) f2 ( 罢) 2 + 2 ( 考) 2 + ：( 罢) 2 + ( 考+ 罢 2 十( 暑；+ 鲁) 2 + ( 鲁+ 芸) 2l ( 2 - 6 ) 式中 中粘度散耗量( k g ( m s 2 ) 。 u x 方向速度分量( m s ) ； v y 方向速度分量( m s ) ； w z 方向速度分量( m s ) 。 2 2 2 控制方程 模拟采用的控制方程包括质量守恒方程( 连续性方程) 、动量守恒方程和 能量守恒方程。分别如下： ： ：= ：! ：。! = 尘兰三些奎兰三兰堡圭兰窒垄窒圣：= 一= ：= ：= ：= 1 质量守恒方程采用e u l e r i a n 方程。由于材料是不可压缩流，密度为 常数，故质量守恒方程为式( 2 - 7 ) ： 塑+ 竺+ 竺：0( 2 - 7 ) 苏劫瑟 2 动量守恒方程为n a v i e r - - s t o k e s 方程，如公式( 2 - 8 ) ： p 尝v pv r + p g ( 2 8 ) d r 、。 f ：r ( t ，i ) ( 譬+ 罢+ 娑) c r y 式中p 平均密度( k g m 3 ) ； v 流体流速，其分量为“，v ，w ( m s ) ； p 静态压力( n ) ； r 剪切应力( m p a ) ； g 重力( n ) 。 3 能量守恒方程根据傅立叶导热定律和能量守恒原理，并引入剪切应 力得到，如公式( 2 9 ) ： t o p c t u + 了o p c p t v + o , o j c - p t w = 昙( z 瓦o t + “r ) + 晏o y ( 名娶o y + v r ) + 鲁( 兄警十m )m o 、，o z呶o xa zo z ( 2 9 ) 2 3 本章小结 应用流体力学理论建立了f s w 焊接过程中2 0 1 4 铝合会的塑性流动数 学模型：塑性材料被视为高粘度、不可压缩的非牛顿流体流动形式为层 流：根据z e n n e r - h o l l o m o n 确定了控制材料流动的粘度模型和热模型；通过 拟合确定了高温条件下的材料热物理参数；确定了材料运动的控制方程。 第3 章二维塑性流动模拟 3 1 二维塑性流动模型的建立 3 1 1 二维塑性流动区域及边界条件 二维塑性流动模拟区域尺寸为2 0 0 m m x l 3 0 m m ，如图3 1 所示。直径为 7 m m 的圆形探针位置固定并作逆时针旋转运动，设置为绝热壁面边界 ( m o v i n gw a l l ) ，直角坐标系建立在探针圆心处。材料自左向右以焊接速度相 对于探针运动，与实际焊接方向相反，流动入和流出边界设置为速度入口边 界( v e l o c i t yi n l e t ) ，速度等于焊接速度，温度为室温。前进边和回撤边的边 界设置为平动壁面边界，温度为室温。 流体流出边界 回撤边边界 旋转方向 实际焊接方向 - - - - - - - - - 前进边边界 图3 - 1二维流动模拟区域及边界条件 3 1 2 流动区域网格划分 图3 2a ) 为二维流动模拟区域整体网格划分情况。由于材料的塑性流动 主要发生在探针附近较小区域内，故在探针附近网格划分较细密，在探针周 围划分一层四边形的边界层，如图3 - 2b ) 所示。这种网格划分在探针附近生 界 边 峨 簌体斑 成6 3 5 4 个四边形和三角形网格单元，整个模拟区域共有8 6 2 4 个网格单元。 a ) 二维流动模拟区域整体网格划分 b ) 探针边缘边界层 图3 2 二维流动模拟区域网格划分 3 1 3 解算设定及解算步骤 模型的解算：采用隐式、线性、分离格式进行计算并对网格进行离散： 采用二阶离散方程计算压力：采用二阶逆风方程计算动量。模拟计算迭代步 骤如下： 1 ) 在模拟迭代初期，由于计算不稳定不能将粘度散耗引入计算过程， 否则在一开始就会导致发散，另外，探针应首先设置为4 0 0 c 恒温旋转壁 面，而不是绝热壁面。在计算时通过修改控制方的松弛因子来改善计算的速 度与稳定性。开始的时候，需设置较小的松弛因子，以保证计算的稳定性， 随后逐渐增大松弛因子以保证收敛速度。这一步的主要作用是使温度场、速 = ：= ：! ：= ：一一：= ：= ：竺垒鎏三些奎耋三兰堡兰耋堡i ! 查：一= ： ：一：= = ：= = = = = 度场达到收敛，粘度场初步收敛，各项残差达到稳定。 2 ) 引入粘度散耗公式进行继续计算，重复第一步对松弛因子的调整， 使各项残差达到稳定。 3 ) 设置探针为绝热壁面。重复第一步对松弛因子的调整，最终能量控 制方程的松弛因子达到1 时收敛速度最快。流动模拟区域内最大温度、平均 温度、最小粘度、平均粘度等宏观指标的残差在1 0 矗以下振荡时可认为已达 到收敛。 4 ) 改变焊接工艺参数。本文中对工艺参数的记法为：焊接速度 w s = l o o m m m i n ，旋转速度r s = 4 0 0 r p m ，则记为1 0 0 1 4 0 0 ，以此类推。改变 焊接参数可分为两个方面：1 ) 改变旋转速度。将已经做好1 0 0 1 0 0 的模拟 结果作为原始的模拟文件( e a s e ) 。改变旋转速度时，可以在这个原始的e a s e 上进行调整，如要进行1 0 0 3 0 0 的模拟则可以直接在1 0 0 1 0 0 的e a s e 中改变 探针的转速，便可进行计算，但是，计算过程中应重复第一步对松弛因子的 调整；2 ) 改变焊接速度。这步可以在原始e a s e 上改变焊接速度，因为此 时整个流动模拟区域的粘度场都将重新计算，要完全复步骤1 3 。 3 2 流动迹线模拟结果 图3 - 3a ) 为探针附近流动迹线模拟结果。从流动迹线圈中可看到，无论 是前迸边的材料还是回撤边的材料均从回撤边一侧绕过探针流动，并在探针 后方相同位簧处被释放流出。探针周围的材料随探针逆时针旋转流动，发生 较大的位置迁移和塑性变形。形成塑性流动层，表现在迹线图上就是迹线密 集或运动状态发生根本改变的区域，这是一个近似椭圆的闭合区域。 流动层以内是边界层如图3 - 3a ) 箭头所指。边界层是粘性流体力学中 的概念，文献【4 2 】指出，由于粘性的存在，流体和与其接触的物体间不会出 现滑移运动，而是应该存在一个具有很大速度梯度的边界层。该层的速度从 流体速度急剧变化为接触物体表面速度，如图3 4b ) 虚线给出了平板与粘性 流体间形成的边界层。边界层的特征是：1 ) 与物体长度尺寸相比厚度很 小；2 ) 速度梯度很大；3 ) 厚度沿流动方向逐渐增加；4 ) 边界层内可近似 认为壁面法向压力不变。f s w 过程中边界层和流动层是形成焊核的主体。 实际焊接中由于影响因素多，流动层与边界层不能像模拟中那样稳定存 在或清晰划分，而且边界层很薄，对探针表面的磨损有一定影响，但对材料 流动的影响不是很大，因此实际焊接中不必区分流动层与边界层。 哈尔滨1 二业大学t 学硕i j 学位论文 流动层以上和以下的区域迹线保持直线，不参与旋转也看不出变形，但 是实际上这里仍有力和热的作用，属于t m a z 区。t m a z 区可以在金相照 片上观察到，但在二维迹线图上看不到t m a z 区，这是因为这部分区域内 的材料主要具有x 方向的速度分量，而没有大的y 方向速度分量，即在y 方 向上运动和变形都小，所以迹线图上很难明显观察到这部分的变形情况。 a ) 流动迹线 3 3 本章小结 流动层 u1 一 ，。-乡一一1 占 毫 1 l 图3 - 3f s w 过程的流动层与边界层 b ) 边界层 应用第二章建立的流动模型，在二维条件下探索了适合f s w 过程材料 的塑性流动模拟的计算迭代步骤，并就模拟结果中的流动迹线图进行了简要 分析，探针周围材料存在流动层和附着于探针的边界层。材料整体运动形式 是：无论是前进边的材料还是回撤边的材料均绕过回撤边一侧，在原始位置 后方释放。二维模型十分简单，得到的模拟结果与实际情况有很大差距，进 行二维模拟的主要目的是为进行三维模拟打下基础。 第4 章三维塑性流动模拟及试验验证 在二维模拟的基础上，本文进一步建立了f s w 过程材料塑性流动的三 维模型，并针对不同形式搅拌头，多组工艺参数进行了模拟，并对模拟结果 进行了分析和试验验证。 4 1 三维塑性流动模型的建立 4 1 1 三维塑性流动区域及边界条件 本文设计了锥形螺纹探针+ 内凹轴肩搅拌头模型，如图4 1 所示。螺纹 探针大径8 m m ，小径6 m m ，带有螺距为1 m m 的反向螺纹，轴肩直径为 2 4 m m 。实际焊接中轴肩要压入被焊材料，模拟中没有考虑这个下压量。内 凹轴肩最低端与板件上表面齐平，整个凹面实际上高于板件上表面，凹形区 域内也仍属于流体区域。三维流动模拟区域为2 0 0 m m 1 3 0 m m 8 m m ，如图 4 2 所示，搅拌头设置在流体区域原点处。 三维模型中的材料物理性能、能量、动量及连续性方程与二维模型相 同，在此不再赘述。 三维模型边界条件设定： l 、材料流入和流出的边界仍然为速度入口边界条件，即仅有x 负方向 速度，等于焊接速度。 2 、板件上、下表面及侧面均设置为对流热传导边界条件。板件上表 面，除与轴肩接触的部分外，其余部分暴露于空气中，对流热传导系数为 5 0w ( m 2 - k ) ，下表面与垫板接触，其对流热传导系数为5 0 0w ( m 2 k ) 【3 9 1 ，回 撤边与前进边的侧面边界在实际焊接时部分与卡具接触部分暴露于空气中， 所阻对其对流热传导系数设定一