基于Fluent的搅拌摩擦焊流场研究

2018-07-26张施楠

九江学院学报(自然科学版) 2018年2期

张施楠李伟奚泉

(九江职业技术学院江西九江 332005)

搅拌摩擦焊与传统的熔化焊接方法相比具有晶粒细小、焊缝综合力学性能良好，以及无烟尘、无飞溅、节能、无需焊丝和保护气等优点。目前搅拌摩擦焊主要用于铝合金、钛合金等有色金属合金的焊接，广泛应用于航空航天等领域。

搅拌摩擦焊的焊接过程涉及温度场的变化、应力应变变化及塑性态金属的流动，其焊缝成型是一个非常复杂的耦合过程。单纯依靠试验建模和理论建模的手段来研究搅拌摩擦焊的焊接过程具有比较大的局限性。数值模拟技术的兴起与发展，给搅拌摩擦焊的研究提供了一个新的思路和方向，凭借其建模迅速、处理复杂问题等特点，在搅拌摩擦焊的分析过程中得到广泛运用。

Fluent软件是一个用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件。文章以6061铝合金为母材，在Fluent软件中构建其搅拌摩擦焊流场模型，其中搅拌头尺寸为r1=12mm，r2=4mm，h=9.6mm。(r1、r2为搅拌针的半径，h为搅拌针长度)，并对其搅拌摩擦焊焊接过程进行模拟及有限元分析。

1 建模

1.1 几何建模

图1所示为几何建模模型，其尺寸为400mm×200mm×10mm，搅拌头尺寸为r1=12mm，r2=4mm，h=9.6mm。(r1、r2为搅拌针的半径，h为搅拌针长度)

图1 几何模型

1.2 确定金属粘度

在搅拌摩擦焊焊接过程中把焊缝区域塑性金属看做高粘度且不可压缩的流体，根据文献[1]得到粘度计算公式：

(1)

Zener和Hollomon于1944年提出并且试验验证了确定钢的高速拉伸实验σ-ε关系的一种方法[1]，即：

σ=σ(Z,ε)

(2)

式(2)中，ε为真应变，Z为Zener-Hollomon参数，即：

(3)

式(3)中，Q为热变形激活能T为变形时的温度，R为气体摩尔常数。

由文献[1]得：

σ=(1/α)In{(Z/A)}1/n+[(Z/A)2/n+1]1/2} (4)

式(4)中，α、A、n均为与材料有关的常数。由式(1)、(2)、(3)、(4)得

(5)

在Fluent的流体模型中并不存在现成的适用于搅拌摩擦焊塑性金属的流体模型，故需使用Fluent的UDF功能，自定义流体粘度。

2 网格划分

该模型采用非结构化网格划分，搅拌头附近网格划分更加细小，而远离搅拌头的区域网格会略大，划分好的网格如图2所示。

图2 网格划分

3 边界条件设定

如图3所示，边界条件设定如下：

(1)右侧面为流体出口，边界类型为Outflow，出流边界上的变量由区域内部直接外推得到，无需设定。

(2)左侧面为流体入口，边界类型为VELOCITY_INLET，速度等于焊接速度。

(3)搅拌针的面边界类型为旋转墙，旋转速度等于搅拌头的转速。

(4)上、下表面边界类型为移动墙，移动速度等于焊接速度。

图3边界条件设定示意图

4 求解

该模型采用模型中的RNG k-q模型[2]，迭代计算1 500次后结果收敛。

5 有限元分析结果及讨论

5.1 三维流场模拟结果

图4所示为塑性金属流场的三维图，其中X负方向为焊接方向，Z为厚度方向，轴肩旋转方向为逆时针方向。焊缝上部区域塑性金属的流动较为剧烈，下部区域塑性金属的流动相对微弱。

图4 三维流场模拟图

5.2 竖直方向的模拟结果

从图5中可以看出，速度较大的点都集中在搅拌针的附近，说明越远离轴肩的搅拌区域其黏度越高，速度大小越平均。

图5 竖直方向模拟结果图

由图5(a)可知：在后退侧(RS侧)，大部分的塑性金属沿着搅拌针区域向表面运动，少部分塑性金属沿着搅拌针区域向底部运动，在搅拌摩擦焊焊接过程中，后退侧的上部会形成一个瞬时空腔，形成一个负压区域，故后退侧的塑性金属会向表面运动，来填补这个瞬时空腔。由图5(b)得知，后退侧有一部分塑性金属向上运动的同时也沿焊接方向相反的方向运动，说明在搅拌摩擦焊的后退侧部分塑性金属向后运动，部分塑性金属向前运动。

从图5(a)可以看出，在前进侧(AS侧)，大部分的塑性金属是沿着水平方向朝搅拌针流动，只有一小部分塑性金属在向搅拌针运动的同时向表面或底面运动，这说明在前进侧塑性金属沿厚度方向的流动并不剧烈。由图5(b)可知：在前进侧塑性金属都沿焊接方向运动。

5.3 水平方向的模拟结果

由图6(a)、(b)能发现流场的速度分布趋势：离搅拌工具越近的塑性区域，塑性金属的流速越大，反之离搅拌工具越远的区域，塑性金属流速越小。沿厚度方向，随着厚度的增大，塑性金属的流速减小，流场越不规律，这是因为在焊缝的底部区域不受到轴肩的影响，只受到搅拌针的影响，而且在焊缝底部的温度比轴肩低，底部的粘性大于轴肩区域的黏度，故在焊缝底部区域流速小，流场变得不规律。