Page 24 - 《应用声学》2023年第4期
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             处温度逐渐降低,且温度从搅拌头附近向四周降低                            仿真的结果可以看出,搅拌头转速是影响焊接区域
             的温度梯度增大,即单位距离上的温度差变大。从                            温度的主要因素。
                                                                                             
                                                         
                                                                                             
                                                         
                                                                                             
                                                         
                                                                                             
                                                         
                                                                                             
                                                         
                                                                                          
                         y                                 y                              
                             x                                    x
                             (a) n=400 r/min, v=0.5 mm/s          (b) n=1400 r/min, v=0.5 mm/s

                                                                                              
                                                         
                                                                                              
                                                                                           
                                                                                           
                                                                                              
                                                         
                                                                                              
                                                                                           
                         y                                    y
                             x                                    x
                             (c) n=400 r/min, v=2.5 mm/s          (d) n=1400 r/min, v=2.5 mm/s
                                            图 7  不同转速和焊接速度时的温度分布图
                                 Fig. 7 Cloud diagram of workpiece surface temperature distribution
                 6061 铝合金的熔点大约在 582 C,一般认为                     3.2  流体场分析
                                              ◦
             金属在达到熔点的 80% 时塑性状态较为良好,因                              UAFSW过程中的材料流动是一种典型的黏性
             此 6061 铝合金的最佳焊接温度应在 465.6 C 附近,                   流体。在对 UAFSW 进行流体分析时,忽略材料的
                                                   ◦
             即热力学温度约为 739 K。搅拌头转速过大会导致                         体积和密度的变化,将流体看作是不可压缩的流体。

             UAFSW 热输入量过大,温度超过塑性流动的最佳                          图 8 为 UAFSW 搅拌区域的边界模型图,工件与搅
             温度 739 K,甚至接近工件的初始熔化温度,从而导                        拌头轴肩和搅拌针接触的区域设为旋转面,旋转速
             致焊接表面起皮,部分金属材料溢出搅拌头轴肩还                            度为 900 r/min,边界条件选择无滑移边界进行仿
             会生成飞边、毛刺等缺陷,温度过高也会导致超声                            真分析。
             振动系统升温过快,影响超声振动的稳定输出;转动
                                                                                       ஽ᣁவՔ
             速度过低会导致热输入量不足,使达到塑性流动状
             态的材料减少,造成 “隧道型” 孔洞等缺陷。而焊接
             速度过大会导致单位长度上热输入量的不足,导致                                                                  ᭢ൣ᭧
             焊接区域由于塑性流动不足而产生表面沟槽、未焊
             透、裂纹等缺陷;焊接速度过低会导致焊接温度高
                                                                       ஽ᣁ᭧                ཝଌவՔ
             于塑性流动的最佳温度,造成飞边等缺陷,同时,焊
             接速度直接影响到焊接的效率,焊接速度过低会造
                                                                           图 8  FSW 流场边界示意图
             成焊接效率低下,焊接成本提高。
                                                                    Fig. 8 Boundary diagram of FSW flow field
                 根据以上仿真分析结果,选取搅拌头转速为
             900 r/min,焊接速度为 1.4 mm/s,在该参数下搅拌                      图 9 为搅拌头在距离搅拌区上表面 0.5 mm、
             区的体平均温度为 748 K,最高温度为 849 K,该温                     1 mm、4 mm 及 5 mm 位置处的速度矢量图,从图 9
             度下既不会出现材料的局部熔化,也不会造成塑性                            中可以看出,距离上表面越近受到搅拌头轴肩的影
             流动不足的情况。                                          响越大,外圈的速度明显大于内圈,随着沿轴向的不
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