軸向振動(dòng)復(fù)合攪拌摩擦焊接相關(guān)數(shù)學(xué)模型的研究

重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 重慶 沙坪壩 400000

攪拌摩擦焊是英國(guó)焊接研究所發(fā)明的一種新型固態(tài)連接技術(shù),相比傳統(tǒng)熔化焊接其具有焊后無缺陷、變形小且組織性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)。自問世以來,攪拌摩擦焊技術(shù)在船舶制造與航空航天領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用空間,可用于甲板、機(jī)翼及運(yùn)載火箭燃料貯箱等的焊接[1]。但由于自身焊接工藝的特點(diǎn),攪拌摩擦焊在實(shí)際應(yīng)用中也存在一定的局限性,如頂鍛力過大,不易焊透及焊接流動(dòng)阻力大等特點(diǎn),造成整個(gè)焊接過程對(duì)工件裝夾設(shè)備要求較高且攪拌頭易磨損等缺點(diǎn),同時(shí)也限制了攪拌摩擦焊的進(jìn)一步發(fā)展。

一、振動(dòng)對(duì)建立數(shù)值模型影響

為了優(yōu)化焊接過程國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了在攪拌摩擦焊接過程中施加超聲振動(dòng)的方法。超聲波具有頻率高,傳播性好的特點(diǎn),且在金屬塑性加工中施加超聲振動(dòng)能夠降低材料屈服應(yīng)力,提高塑性金屬流動(dòng)特性,進(jìn)而起到改善焊縫微觀組織及力學(xué)性能的作用。本文重點(diǎn)研究軸向超聲振動(dòng)對(duì)整個(gè)焊接過程的相關(guān)數(shù)學(xué)模型建立的影響。

在超聲振動(dòng)攪拌摩擦焊接中,攪拌針振動(dòng)方向垂直于工件表面。當(dāng)超聲波經(jīng)過換能器變幅桿傳到攪拌針底面后,會(huì)在攪拌針底面產(chǎn)生一定的壓力。此時(shí),攪拌針底面對(duì)工件的壓力F由兩部分組成,一部分為開始施加于工件的壓力F1,另一部分為超聲引起的壓力F2,參考文獻(xiàn)[2]可知,超聲波在換能器與變幅桿傳播時(shí),各截面應(yīng)力分布函數(shù)T(x,t)的為：

式中,ρ為材料密度,c為聲速,k為圓波數(shù),a、b和α為與換能器和變幅桿尺寸相關(guān)的常數(shù)。

在金屬塑性成型過程中,附加一定方向的超聲振動(dòng)有助于降低材料塑性變形所需的外力,人們稱之為超聲軟化效應(yīng)。目前,人們對(duì)于超聲軟化材料流動(dòng)應(yīng)力作用機(jī)理的解釋主要有以下幾種：超聲應(yīng)力疊加機(jī)制、超聲降低摩擦的作用、工具頭高頻振動(dòng)的動(dòng)態(tài)作用及熱作用。本章在建立超聲振動(dòng)攪拌摩擦焊的數(shù)值模型時(shí),參考kelly等[3]人提出的數(shù)學(xué)模型來考慮超聲對(duì)工件材料的軟化作用

超聲振動(dòng)攪拌摩擦焊過程中,熱輸入依然來自攪拌頭與工件表面的摩擦熱輸入,以及攪拌頭附近塑性材料的變形產(chǎn)熱。由于超聲振動(dòng)對(duì)軸肩壓力及材料屈服應(yīng)力都有影響,所以攪拌頭的熱輸入也會(huì)有變化。超聲振動(dòng)改變了攪拌頭對(duì)工件的壓力以及材料的屈服強(qiáng)度。超聲振動(dòng)攪拌摩擦焊中需要考慮超聲振動(dòng)對(duì)材料的軟化作用。因?yàn)槭┘映曊駝?dòng)后,當(dāng)工件材料溫度高于500K時(shí),塑性材料會(huì)對(duì)超聲有一定的吸收,進(jìn)而造成材料的屈服強(qiáng)度降低,從而影響材料的粘度。

二、結(jié)論

本文建立了軸向振動(dòng)參與下的攪拌摩擦焊接準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)過程中的熱源模型,整個(gè)熱源模型主要包括攪拌頭與工件的摩擦產(chǎn)熱及攪拌頭附近材料的塑性變形產(chǎn)熱,建立了材料流動(dòng)過程中的粘度模型,超聲軟化作用對(duì)材料屈服應(yīng)力和粘度的影響,及軸向振動(dòng)對(duì)軸向壓力和熱源模型的影響。對(duì)焊接過程中所需的導(dǎo)熱系數(shù)和比熱容等隨溫度變化的物理參數(shù)進(jìn)行了擬合,以便數(shù)學(xué)模型更加貼近實(shí)際。