Page 25 - 《应用声学》2023年第4期

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