7075高强铝合金搅拌摩擦焊接过程的数值模拟研究

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近年来,7075铝合金因其高强度和低密度等优势,应用越来越广泛,但其焊接起来却很困难。搅拌摩擦焊接技术作为一种新型的固相连接技术,自发明以来在铝合金的焊接方面得到了广泛的应用。然而采用传统的实验的方法不仅耗费人力,还很难观测到焊缝的整体温度分布,也无法实现焊件材料速度的可视化。因此本文基于有限元数值模拟技术,针对7075铝合金,对其搅拌摩擦焊接过程进行温度场及流场的数值模拟研究。本文基于流体动力学理论,运用FLUENT流体仿真软件对7075铝合金搅拌摩擦焊接的准稳态过程进行了温度场及速度流场的研究,分别研究了搅拌头转速、焊接速度及搅拌头锥度对温度场及速度场的影响,并通过热电偶测温实验和标记嵌入实验对模拟所得结果进行了验证。结合温度场及速度场分析预测了焊缝的质量,探索出了一套焊接7075铝合金的最佳工艺参数。本文得出的主要结果有:(1)采用分布面热源模型模拟的温度场结果表明,焊缝两侧温度呈非对称分布,前进侧的温度高于后退侧;焊缝横截面的温度呈漏斗状,工件的最高温度出现在轴肩边缘内侧。不同焊接参数的模拟结果表明,搅拌头旋转速度越大,工件温度越高。焊接速度越大,工件的温度越低。并且通过热电偶测温实验验证了不同焊接参数下温度场模拟结果的准确性。此外,对于不同锥度的搅拌针来说,锥度越小,焊件的温度越高。(2)速度场的模拟结果表明,焊接稳态时焊缝两侧材料的速度呈明显的不对称分布,后退侧的速度高于前进侧。流线图表明,焊接时后退侧的材料从焊接前方绕过搅拌针到焊接后方,然后流动到焊缝前进侧形成焊合区,这一结论通过标记嵌入实验得到了验证。不同焊接参数的模拟结果表明,搅拌头转速越大,材料流速越快。而焊速对材料流速大小影响不明显,但焊速越小,材料的焊合位置越靠近焊接中心线。(3)综合考虑焊接参数及搅拌针锥度对温度场及速度的影响,初步探索出了一套焊接7075铝合金的最佳工艺参数,即当旋转速度为800r/min,焊接速度为100mm/min,搅拌针的锥度为0.33时,焊缝质量最佳。
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