Page 25 - 《应用声学》2023年第4期
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第 42 卷 第 4 期                张轩等: 超声辅助搅拌摩擦焊仿真分析及实验                                           687


             断深入,搅拌头轴肩的影响逐渐减小,流体内圈速度                           流速出现在距离中心约一个搅拌针小径处的位置,
             大于外圈速度,且流体的流速明显下降。由于搅拌                            且最高速度不超过 0.0284 m/s,因此铝合金板材不
             针长度为4 mm,距离上表面5 mm处的材料流动紧                         宜过厚,否则在实际焊接过程中会出现“未焊透” 现
             靠分子间的内摩擦,材料流动已经非常微弱,最高                            象,本文选取的6061 铝合金的板材厚度为5 mm。

                                                        ᤴए/(mSs -1 )


                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲
                            ⊲                       y                                   y
                            ⊲                          x                                   x
                            ⊲                      z                                    z
                            ⊲
                                       (a) z=0.5                              (b) z=1.0










                                                        y                                  y
                                                          x                                   x
                                                       z                                  z
                                       (c) z=4.0                              (d) z=5.5
                                          图 9  距搅拌区上表面不同位置处的速度矢量图
                          Fig. 9 Velocity vectors at different positions on the upper surface of the stirring zone
             3.3 超声软化模型与声场分析                                   其中,I 为声强 (W/m )。通过 COMSOL 软件对
                                                                                    2
             3.3.1 超声软化模型的建立                                   UAFSW 的声场进行模拟,分析 UAFSW 过程中的
                 UAFSW加工过程中工件材料的软化主要包括                         声压分布,根据以下公式求得相应的声强值:

             高温软化和超声软化,其中高温软化对工件的软化                                               I =  P  2  ,            (3)
             占主导地位,超声软化可以在高温软化的基础上减                                                   2ρv
                                                                                                    3
             小材料的屈服应力。材料的软化表达式如下:                              其中,P 为声压幅值 (Pa);ρ 为密度 (kg/m );v 为超
                                                               声在工件中的传播速度(m/s)。
                               R = R T α,               (1)
                                                               3.3.2 声场分析结果
             其中,R 为软化后的屈服强度;R T 为焊接温度下材
                                                                   UAFSW 在频率 20000 Hz 时工件表面的声压
             料的屈服强度      [17] ,α 为超声软化率。
                                                               分布如图10所示,在同一位置的不同时刻声压值存
                 材料的软化效果主要表现为屈服强度的下降,
                                                               在周期性变化,其中搅拌头附近的声压幅值最高,达
             本文通过材料软化率来表征超声对材料软化的影
                                                                       5
                                                               8.45 × 10 Pa。
             响,对于铝合金,超声软化率            [18]  公式如下:
                                                                   对工件中的声压进行提取,根据公式 (3) 计算
                            (           −6  ) 2
                         α= 1 − 1.3 × 10  I   ,         (2)    出对应的声强值,为了更加直观地观察工件内部的
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