《攪拌摩擦焊全局熱流耦合模型及金屬流動行為研究》是依託瀋陽航空航天大學，由高恩志擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：攪拌摩擦焊全局熱流耦合模型及金屬流動行為研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：高恩志
- 依託單位：瀋陽航空航天大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，FSW）過程中，攪拌頭附近的材料在高溫下發生劇烈的塑性流動，其流動行為直接關係到接頭質量。基於計算流體力學的FSW材料流動模擬是研究FSW過程中材料流動行為的重要手段。其可靠性模擬的前提是精確描述攪拌頭-焊接構件接觸行為及熱源的產生。本項目擬在現有研究基礎上，研究建立瞬時傳熱簡化模型；研究建立攪拌頭-焊接構件可變剪下應力接觸界面模型；在此基礎上建立FSW過程全局熱流耦合模型。深入研究溫度耦合影響下的FSW過程金屬塑性流動演化規律。同時採用數值仿真及實驗方法研究影響金屬塑性流動規律的工藝因素及作用機理；基於金屬流動演化預測建立FSW過程工藝的最佳化設計理論與控制方法。形成可預知焊縫質量、可控制金屬流動的FSW理論與方法。本研究成果對發展我國先進焊接技術、加工過程的精確控制與最佳化理論具有重要意義。
結題摘要
基於有限元方法的攪拌摩擦焊(FSW)過程數值模擬技術以其低成本、高效率的優點及可視化和過程再現能力已成為研究焊接過程的一種重要手段，本項目首先基於計算流體力學(CFD)理論，研究建立FSW過程熱流耦合模型，模擬得到了焊接過程中溫度場分布雲圖、不同工藝參數下的三維速度矢量圖和材料流線分布圖。基於計算固體力學(CSM)理論，建立了FSW全過程熱力耦合模型，利用任意拉格朗日-歐拉(ALE)格線自適應技術及質點跟蹤技術模擬研究了焊接全過程金屬流動行為，揭示了攪拌區金屬材料的遷移特徵。以6061、5A90鋁合金為研究對象，開展了鋁合金FSW實驗研究，分析工藝參數對金屬流動及組織、性能的影響。CFD模型模擬結果表明，隨著攪拌針旋轉速度的增加，攪拌針附近區域材料流動更劇烈，焊接速度的提高對攪拌針及其附近區域材料的流動影響不大。焊接過程中，材料在攪拌針前方分流，在攪拌針後方焊合。分流與焊合位置均位於前進側(AS)。隨著距焊縫表面距離的提高，焊合難度增大，從而使焊接過程中未焊合缺陷產生的傾向性增大。CSM模型模擬結果表明，攪拌區周圍材料主要以旋轉繞流及層流的形式向攪拌頭後方遷移。上層金屬有向下螺旋運動趨勢，中部金屬有先向上螺旋運動而後向下螺旋運動行為，在靠近焊件底部，金屬材料則主要以層流的形式向攪拌頭後方遷移。跟蹤質點與攪拌針之間的相對位置關係對材料流動有著重要的影響。在水平方向上，隨著與攪拌針相對距離的增大，攪拌針對材料流動行為的攪拌作用減弱。在垂直方向上，材料在焊接的上下部分有完全不同的流動模式。靠近軸肩的材料經繞流後沉積在AS上，隨著與頂層距離的增大，流入到AS中的材料減少。實驗結果驗證了數值模型的可靠性。本研究揭示了FSW過程金屬流動行為機制及影響因素，對建立和完善其理論基礎，指導焊接工藝參數的制定具有重要的意義。
