楊霖
摘要:基于ABAQUS軟件對(duì)異厚度鋁合金板進(jìn)行了攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn),異厚板的溫度場(chǎng)區(qū)域形狀為半橢圓。由于兩板厚度不同,兩側(cè)的溫度場(chǎng)存在差異,說明軸肩摩擦熱是熱輸入的主要來源。通過對(duì)比模擬結(jié)果可知,隨著攪拌針轉(zhuǎn)速的增加及焊接速度的減小,焊板的最高溫度逐漸增大。
關(guān)鍵詞:鋁合金;攪拌摩擦焊;溫度場(chǎng)
1.引言
攪拌摩擦焊(FSW)技術(shù)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型焊接工藝。攪拌摩擦焊工藝被認(rèn)為是近二十幾年來金屬連接工藝中最理想的發(fā)明之一,被評(píng)定為一種綠色工藝。攪拌頭由軸肩和攪拌針構(gòu)成,是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵部件,直接影響攪拌焊接中的熱輸入方式。
本文采用ABAQUS對(duì)2mm和1.5mm厚度的兩塊不同鋁合金薄板建立熱源模型并進(jìn)行溫度場(chǎng)分析,推斷出不同焊接旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度對(duì)異厚度鋁合金薄板的溫度場(chǎng)影響及其分布規(guī)律,為異厚板的FSW焊接變形提供理論支持。
2.仿真模型建立與驗(yàn)證
2.1工件及工藝參數(shù)
實(shí)驗(yàn)用鋁合金試件的尺寸為200mm×60mmx2mm,200mmx60mmx 1.5mm。攪拌頭為圓柱型,其軸肩直徑為12mm,攪拌針直徑6mm,高1.9mm,攪拌頭材質(zhì)為高速鋼。焊接從焊縫邊緣20mm處開始,所用焊接參數(shù)如表1所示。
2.2模型網(wǎng)格劃分
本文取焊件整體進(jìn)行分析。本文采用在焊縫附近區(qū)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分,中間的區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)域,密度略低,邊緣區(qū)域密度較小,劃分技術(shù)為掃掠網(wǎng)格劃分。圖1為異厚度鋁合金板網(wǎng)格劃分。
2.3邊界條件與熱源
FSW過程中主要的邊界條件主要包括:工件、墊板及壓板表面的熱對(duì)流和熱輻射。環(huán)境的初始溫度設(shè)為20℃。軸肩與工件的摩擦熱為面載荷加載到有限元模型中,攪拌針與焊件材料的摩擦熱處理為體熱源加載到有限元模型中。通過DFLUX子程序?qū)崿F(xiàn)熱源的加載,把邊界條件加載到模型上。
3.計(jì)算結(jié)果和分析
攪拌頭轉(zhuǎn)速影響溫度場(chǎng)的分布,當(dāng)焊接速度定為60mm/min時(shí),攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為600r/min,900r/min,1200r/min,異厚板溫度場(chǎng)的最高溫度分別為487.5℃、524.9℃、547℃。如圖2為1200r/min時(shí)的溫度場(chǎng)。
焊接速度影響熱量的大小,決定薄板溫度場(chǎng)的分布。固定攪拌針轉(zhuǎn)速為600r/min,攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度分別為50mm/min,60mm/min,80mm/min,異厚板溫度場(chǎng)的最高溫度分別為512.6℃、487.5℃、401.6℃。
4.結(jié)語
(1)異厚板的溫度場(chǎng)區(qū)域均呈現(xiàn)為半橢圓形狀,且最高溫度出現(xiàn)在2mm焊板上,同時(shí)由于熱傳遞及攪拌的原因,1.5mm焊板溫度場(chǎng)區(qū)域總體上小于2mm焊板溫度場(chǎng)區(qū)域。
(2)同一焊接速度下,異厚板的最高溫度隨著攪拌針轉(zhuǎn)速的增大而增大。同一攪拌針轉(zhuǎn)速下,最高溫度隨焊接速度的增加而降低。且由于熱源大小的不同,使得異厚板兩板的溫度場(chǎng)存在差異。