【摘 要】
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现今社会,“节能减排、绿色能源”已经成为时代所倡导的主题。其中镁合金和铝合金作为现今社会中应用比较广泛的合金,因它们的物理特性以及材料属性良好,被广泛用于航空航天、交通运输、船舶等领域。近年来,围绕异种金属间的焊接技术的研究取得了非常大的进展,搅拌摩擦焊技术作为一种新型的固相连接技术,被广泛应用在工业生产的多个领域。搅拌摩擦焊接时的温度和材料流动都会对焊缝质量有着很大的影响,而焊接时的材料流动又比
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现今社会,“节能减排、绿色能源”已经成为时代所倡导的主题。其中镁合金和铝合金作为现今社会中应用比较广泛的合金,因它们的物理特性以及材料属性良好,被广泛用于航空航天、交通运输、船舶等领域。近年来,围绕异种金属间的焊接技术的研究取得了非常大的进展,搅拌摩擦焊技术作为一种新型的固相连接技术,被广泛应用在工业生产的多个领域。搅拌摩擦焊接时的温度和材料流动都会对焊缝质量有着很大的影响,而焊接时的材料流动又比较复杂,会对搅拌头造成一定影响,因此搅拌摩擦焊的流固耦合研究具有重要的意义。本文基于计算流体力学和固体力学理论,建立了 AZ31B镁合金和2024-T3铝合金的流固耦合模型,使用ANSYS软件对镁铝异种金属的搅拌摩擦焊温度场、流场以及其对搅拌头的影响进行研究。采用SolidWorks软件建立流固耦合模型。随后在ANSYS Workbench软件中对不同焊接参数下工件材料的温度分布情况、材料流动以及搅拌头的应力模态进行研究,将流场与试验得到的接头横截面对比。研究工作如下:（1）温度场的模拟。采用ANSYS模拟了流固耦合过程,对不同厚度截面的温度场分布情况进行了分析。在焊接过程中,不同焊速以及不同转速下前进侧铝板高温区域面积与后退侧镁板并不对称,前进侧高温区域大于后退侧,从工件表面到搅拌针端部,高温区域面积逐渐减小。最高温度始终低于工件材料的熔点。工件材料的温度随着焊速的增大而降低,随着转速的增加而增大。从焊缝表面到搅拌针端面,温度区域呈现一个碗状。（2）流场的模拟。采用ANSYS模拟了流固耦合过程,对不同厚度截面的流场分布情况进行了分析。在焊接过程中,前进侧铝板处与后退侧镁板速度流线以及流场并不对称,前进侧速度小于后退侧,焊接过程中材料的最大流速出现在工件上表面处。随着焊速与转速的增加,材料流速增大,前进侧与后退侧间的非对称性也随之增加。模拟结果与试验所得结果相符,证明了模拟结果的准确性。（3）搅拌头的模态分析。使用ANSYS模态分析对搅拌头在机床夹持状态下空转时的模态以及焊接过程中的受力情况和不同的焊速和转速下的模态进行分析,得到搅拌头的变形主要发生在搅拌针以及轴肩处。搅拌头所受到的最大应力发生在搅拌头前进侧的搅拌针根部位置。焊接应力下搅拌头的模态频率比夹持空转状态下的模态频率要下降2.5%左右。同时,搅拌头的焊速以及转速对焊接过程中搅拌头的模态频率影响非常小。
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