搅拌摩擦焊数值模拟的现状

数值方法

搅拌摩擦焊数值模拟的现状/

沈洋等

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搅拌摩擦焊数值模拟的现状3

沈　洋,何晓梅,吕　爽,尹　娟

(西安建筑科技大学冶金工程学院,西安710055)

　　摘要　　自搅拌摩擦焊发明以来,对多种不同材料的搅拌摩擦焊实验研究已取得了巨大的进展,但对搅拌摩擦焊

工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。简要叙述了搅拌摩擦焊数值模拟研究的3个主要方向(温度场、流场和组织性能)的研究现状。

关键词　　搅拌摩擦焊　数值模拟　温度场　流场　组织性能

CurrentStatusofNumericalSimulationofFrictionStirSHENYang,HEXiaomei,L,(CollegeofMetallurgyEngineering,Xi’an,Xi’an710055)

Abstract　　Therehasbeenfricationstirweldingofdifferentmateri2

alseversinceitsinvention,buttosimulatetheweldingprocessaremorerecent.Thepapersimply,arethermal,materialflowfieldandstructureproperty,inFSWprocess’Keywrictionstirwelding(FSW),numericalsimulation,thermalfield,flowfield,structureproperty

0　引言

搅拌摩擦焊(FrictionStirWelding,FSW)[1]的发明为常规

焊接方法难焊接或不可焊接材料的焊接提供了新的方法。这些材料通常是一些轻质金属与合金,其中铝合金是最为常见的一种。铝合金与大多数结构材料相比,具有更好的比刚度(弹性模量与密度之比)、比强度(强度与质量之比)。由于铝合金在航空航天、造船工业和建筑结构上日益广泛的应用,其连接技术及其工艺得到了越来越多的关注。

早期关于搅拌摩擦焊的研究工作主要是由其专利持有者TWI进行的。现在,世界范围内的研究人员均对搅拌摩擦焊及其相关技术展开了广泛的研究。其中,航空航天工业与造船工业的贡献特别突出[2]:航空航天工业可以使用搅拌摩擦焊对其大量使用的高强度铝合金进行焊接;造船工业可利用搅拌摩擦焊焊接变形小的特点获得与母材性能相近的焊接接头;汽车工业可以利用搅拌摩擦焊易于连续化、自动化的特点获得很好的效果。

从发明至今,对搅拌摩擦焊的研究主要集中在对焊接工艺和焊接接头组织性能的研究。与此相比,对搅拌摩擦焊工艺过程的模拟则受限于关键理论机理的缺乏,开展得较晚且不完善。对搅拌摩擦焊工艺过程的模拟可以预测焊件的状态和性能(如:焊接残余应力、硬度、接头组织等)、焊缝塑性材料的流动形态以及焊接过程中焊件的传热过程和温度场。焊件的传热过程和温度场对研究搅拌摩擦焊焊件残余应力和焊接过程的组织转变,进而提高搅拌摩擦焊焊件性能具有重要价值。这些研究对建立和完善搅拌摩擦焊的理论基础,指导焊接工艺参数的制定从而　3陕西省国际科技合作重点项目(2005KW220)　沈洋:男,1981年生,硕士生　E2mail:shenyang660@126.com

获得良好的接头都具有十分重要的意义。总之,对搅拌摩擦焊

工艺过程进行模拟研究可提高该技术的研究水平并节省相关实验研究费用。

1　搅拌摩擦焊数值模拟的发展现状

自搅拌摩擦焊发明以来,对多种不同材料的搅拌摩擦焊试验研究已取得了巨大的进展,但对搅拌摩擦焊工艺过程的计算机模拟直到最近几年才逐渐兴起。对搅拌摩擦焊工艺过程的模拟主要集中于3个方面:温度场模拟(研究焊件的温度与传热过程)、流场模拟(研究焊缝塑性材料的流动状况)和组织性能模拟(研究焊接过程的微观组织转变过程)。Frigaard等[3～5]最早使用计算机数值模拟对搅拌摩擦焊温度场进行了分析,他们使用热源模型为摩擦生热模型,即假设摩擦焊过程中输入的热是由搅拌头和搅拌针与焊件摩擦产生的。Smith等[6]认为可使用粘性耗散纳维司托克斯方程对搅拌摩擦焊焊缝塑性材料的流场进行模拟。Siedel等[7,8]提出了相似的模型用以模拟搅拌摩擦焊的流场。Stewart等[9,10]建立了固体力学模型以模拟搅拌针周围的材料流动和塑性应变。然而,将温度场、流场、固体力学模型融合到一个模型中对搅拌摩擦焊工艺工程进行模拟才是数值模拟研究的方向。

2　搅拌摩擦焊的温度场模拟

关于FSW温度场的研究,开始大多采用自然解析法,随后逐渐被基于固体力学的有限元方法(FEM,FiniteElementMethod)以及基于粘塑性流体模型的计算流体动力学方法(CFD,ComputationalFluidDynamics)所代替。