异种不锈钢fsw温度场数值模拟及材料塑性变形机制【字数：10857】
摘 要本文模拟异种不锈钢搅拌摩擦焊过程的温度场和流场，模拟结果表明，模型计算的温度场与实际实验结果吻合度较高，通过搅拌头的搅拌作用使焊件软化并发生机械结合。搅拌头的轴肩处温度最高，变化最快，越远离搅拌头温度越低变化越慢。焊件的温度呈椭圆状向外发散辐射，并且因为430铁素体不锈钢导热性好，热传递快，等温线前进侧温度梯度大，因此前进侧的温度高于后退侧的温度。在其他参数不变的情况下，改变搅拌头的转速，转速越大，峰值温度越高。对于材料流动场，通过表面的压强变化、速度变化和材料粘度的定义来观察材料的流动情况，可以发现搅拌摩擦焊的金相焊缝横截面形貌呈河流状，且存在材料流动现象。焊缝材料只在搅拌头附近区域流动，其流动速度均小于搅拌头旋转速度，搅拌头的轴肩处温度首先升高，其次才是金属材料间的粘性流动结合。在其他参数不变的情况下改变转速，表面材料流动速度随转速变大而增大，在转速不大于900r/min时，表面材料压力随转速变大而增大。其塑性变形机制是由于搅拌针使得材料流动，位错增殖，从而发生了金属的塑性变形。
目录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 搅拌摩擦焊原理与研究现状 1
1.2.1 搅拌摩擦焊原理 1
1.2.2搅拌摩擦焊温度场研究 2
1.2.3搅拌摩擦焊金属塑性流动研究 2
1.3本文主要研究内容 3
2.COMSOL软件介绍及实验材料 5
2.1有限元COMSOL软件介绍 5
2.2实验材料 5
2.3实验方法 6
3.异种不锈钢搅拌摩擦焊数学模型 7
3.1温度场的数学模型 7
3.1.1模型的简化与假设 7
3.1.2温度场数学模型与主控方程 8
3.2流体流动数学模型 9
3.2.1模型的假设与简化 9
3.2.2流体的主控方程 9
3.3本章小结 9
4.COMSOL Multiphysics多物理场的计算过程 10
4.1建模仿真 10
4.2几何模型的建立 10
4.3边界条件及初始条件 11
4.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
网格划分 12
5.结果与分析 13
5.1温度场模拟结果与分析 13
5.1.1温度场可靠性验证 13
5.1.2温度场结果分析 13
5.2流场模拟结果与分析 17
5.2.1流场模拟结果 17
5.2.2材料流动的分析 17
5.2.3材料流动实验结果 22
5.2.4材料流动塑性变形机制 23
5.3本章小结 24
6.结论 25
参考文献 26
致谢 28 1.绪论
1.1课题研究背景及意义
搅拌摩擦焊（FSW，Friction Stir Welding）是于1991年在英国焊接研究所由Wayne Thomas[14]及其同事发明的，并在近二十年来发展迅速，其焊接过程中热循环作用低，组织粗化现象减少，使得接头具有较高的强度[5]。搅拌摩擦焊克服了传统焊接工艺焊接不锈钢时出现的问题，为不锈钢的连接提供了一条十分具有发展潜力的途径。搅拌摩擦焊在焊接过程中被焊接的材料一直处于没有熔化的高粘度、高温的状态，所以可以完成一般焊接技术难以完成的焊接，例如高强的铝合金、镁合金和钛合金的焊接。其焊接过程无飞溅、无污染、缺陷少，同时焊接效率高，并且所获得的焊接头相比传统焊接方法具有强度高、变形小和韧性高的优点。在国内外有关搅拌摩擦焊的研究及报告中，很大一部分针对低熔点合金，如铝、镁和铜[6,7]，近十几年开始才研究这些材料[8]，并且同种不锈钢的搅拌摩擦焊[911]的研究一直较多，因为异种不锈钢的材料两部分属性不同，异种不锈钢焊接时，材料流动行为相比同种不锈钢的材料流动更为复杂，且实验结果难以观察温度难以准确测量，因此就需要用到数值模拟分析技术来对搅拌摩擦焊进行研究。
搅拌摩擦焊时建立在塑性变形上的，属于固态连接过程，但是依然存在许多问题没有完全解决[1216]，如焊接过程中的材料流动问题，焊接过程中的温度变化问题，以及材料的塑性变形问题等等。因此，本文研究的目的就是建立搅拌摩擦焊的模型来模拟焊接过程中的温度场变化以及材料流动情况，运用有限元与实验结果进行对比分析，并且对焊缝进行组织进行分析与观察，来更深入了解搅拌摩擦焊。
1.2 搅拌摩擦焊原理与研究现状
1.2.1 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊的原理如图1.1所示利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源[17]，通过搅拌头深入材料进行高速旋转，使其与焊接工件材料温度升高软化。焊接过程主要包括以下四个阶段：1、搅拌头插入焊段；2、停留预热阶段；3、稳定焊接阶段；4、搅拌头取出阶段。
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图1.1 搅拌摩擦焊原理图
1.2.2搅拌摩擦焊温度场研究
搅拌摩擦焊是一种固相焊接，通过压力使待焊工件表面紧密接触，通过摩擦生热使得金属被加热到很高温度，然后通过搅拌头的机械混合作用进行搅拌、混合、扩散，最终形成牢固的接头，在焊接过程中主要考虑温度分布，即传热问题。并且由于搅拌头的旋转，材料会被挤向后退侧（Retreating Side）[18,19]一边，有些材料会被留在前进侧（Advancing Side）一边，从而会使得两边的温度有所差异，焊缝也会与传统焊接有所不同。
Song等[20]的模型研究是将被焊接件固定不动来减少建模的困难，只要将搅拌头移动便可以达到相同的目的，他的模型还同时考虑到了搅拌针轴肩以及搅拌针的热源影响。McClure等[21]使用热电偶采集焊接时温度变化数据，焊件低于被焊件6061铝合金的熔点，材料未融化，是通过摩擦扩散来进行连接的。Friggard等[22]进行搅拌摩擦焊的数值模拟分析，通过对焊接过程中摩擦因数设置，从而判断其焊接过程中的能量消耗和温度变化，一定程度上反应出搅拌摩擦焊过程中会出现的变化情况。
因此，使用模拟的方法对搅拌摩擦焊的温度进行研究是目前十分普遍的一种研究方法，常使用的热源模型包括基于滑动和黏着摩擦生热模型等。但是与实际的焊接结果会因为搅拌头附近的接触等实际影响而有所差异。
1.2.3搅拌摩擦焊金属塑性流动研究
搅拌摩擦焊的过程中，不仅温度会影响接头性能，焊件材料流动情况也会影响，因为材料流动情况实验较复杂，要通过很多大型软件进行材料直接追踪，所以只能用其他方法来检测。例如可以通过在温度场上耦合一个流场模拟焊接时的材料流动，来了解材料内部情况，以此来观察金属的塑性变形。
Schmidt等[23]的实验通过在被焊件中加入可以被标识的铜箔，通过X射线扫描技术来观察温度、材料流动情况。Carter Hamilton等[24]的实验通过对钪改性铝合金的搅拌头采取元素示踪法，从而观察搅拌头附近材料流动现象，并且推测出搅拌摩擦焊过程中的洋葱圈现象。R.Nandan等[25]对材料塑性流动进行实验，拥有理论基础，再通过数值模拟分析技术，综合两者对搅拌摩擦焊进行研究。张昭[26]等建立了搅拌摩擦焊模型对比了运用经典库仑摩擦定律和修整库伦摩擦定律后的焊件材料温度分布和材料流动规律，得出了搅拌头转速高时的材料流动更加充分的结论。
目录
1.绪论 1
1.1课题研究背景及意义 1
1.2 搅拌摩擦焊原理与研究现状 1
1.2.1 搅拌摩擦焊原理 1
1.2.2搅拌摩擦焊温度场研究 2
1.2.3搅拌摩擦焊金属塑性流动研究 2
1.3本文主要研究内容 3
2.COMSOL软件介绍及实验材料 5
2.1有限元COMSOL软件介绍 5
2.2实验材料 5
2.3实验方法 6
3.异种不锈钢搅拌摩擦焊数学模型 7
3.1温度场的数学模型 7
3.1.1模型的简化与假设 7
3.1.2温度场数学模型与主控方程 8
3.2流体流动数学模型 9
3.2.1模型的假设与简化 9
3.2.2流体的主控方程 9
3.3本章小结 9
4.COMSOL Multiphysics多物理场的计算过程 10
4.1建模仿真 10
4.2几何模型的建立 10
4.3边界条件及初始条件 11
4.4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
网格划分 12
5.结果与分析 13
5.1温度场模拟结果与分析 13
5.1.1温度场可靠性验证 13
5.1.2温度场结果分析 13
5.2流场模拟结果与分析 17
5.2.1流场模拟结果 17
5.2.2材料流动的分析 17
5.2.3材料流动实验结果 22
5.2.4材料流动塑性变形机制 23
5.3本章小结 24
6.结论 25
参考文献 26
致谢 28 1.绪论
1.1课题研究背景及意义
搅拌摩擦焊（FSW，Friction Stir Welding）是于1991年在英国焊接研究所由Wayne Thomas[14]及其同事发明的，并在近二十年来发展迅速，其焊接过程中热循环作用低，组织粗化现象减少，使得接头具有较高的强度[5]。搅拌摩擦焊克服了传统焊接工艺焊接不锈钢时出现的问题，为不锈钢的连接提供了一条十分具有发展潜力的途径。搅拌摩擦焊在焊接过程中被焊接的材料一直处于没有熔化的高粘度、高温的状态，所以可以完成一般焊接技术难以完成的焊接，例如高强的铝合金、镁合金和钛合金的焊接。其焊接过程无飞溅、无污染、缺陷少，同时焊接效率高，并且所获得的焊接头相比传统焊接方法具有强度高、变形小和韧性高的优点。在国内外有关搅拌摩擦焊的研究及报告中，很大一部分针对低熔点合金，如铝、镁和铜[6,7]，近十几年开始才研究这些材料[8]，并且同种不锈钢的搅拌摩擦焊[911]的研究一直较多，因为异种不锈钢的材料两部分属性不同，异种不锈钢焊接时，材料流动行为相比同种不锈钢的材料流动更为复杂，且实验结果难以观察温度难以准确测量，因此就需要用到数值模拟分析技术来对搅拌摩擦焊进行研究。
搅拌摩擦焊时建立在塑性变形上的，属于固态连接过程，但是依然存在许多问题没有完全解决[1216]，如焊接过程中的材料流动问题，焊接过程中的温度变化问题，以及材料的塑性变形问题等等。因此，本文研究的目的就是建立搅拌摩擦焊的模型来模拟焊接过程中的温度场变化以及材料流动情况，运用有限元与实验结果进行对比分析，并且对焊缝进行组织进行分析与观察，来更深入了解搅拌摩擦焊。
1.2 搅拌摩擦焊原理与研究现状
1.2.1 搅拌摩擦焊原理
搅拌摩擦焊的原理如图1.1所示利用摩擦热与塑性变形热作为焊接热源[17]，通过搅拌头深入材料进行高速旋转，使其与焊接工件材料温度升高软化。焊接过程主要包括以下四个阶段：1、搅拌头插入焊段；2、停留预热阶段；3、稳定焊接阶段；4、搅拌头取出阶段。
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图1.1 搅拌摩擦焊原理图
1.2.2搅拌摩擦焊温度场研究
搅拌摩擦焊是一种固相焊接，通过压力使待焊工件表面紧密接触，通过摩擦生热使得金属被加热到很高温度，然后通过搅拌头的机械混合作用进行搅拌、混合、扩散，最终形成牢固的接头，在焊接过程中主要考虑温度分布，即传热问题。并且由于搅拌头的旋转，材料会被挤向后退侧（Retreating Side）[18,19]一边，有些材料会被留在前进侧（Advancing Side）一边，从而会使得两边的温度有所差异，焊缝也会与传统焊接有所不同。
Song等[20]的模型研究是将被焊接件固定不动来减少建模的困难，只要将搅拌头移动便可以达到相同的目的，他的模型还同时考虑到了搅拌针轴肩以及搅拌针的热源影响。McClure等[21]使用热电偶采集焊接时温度变化数据，焊件低于被焊件6061铝合金的熔点，材料未融化，是通过摩擦扩散来进行连接的。Friggard等[22]进行搅拌摩擦焊的数值模拟分析，通过对焊接过程中摩擦因数设置，从而判断其焊接过程中的能量消耗和温度变化，一定程度上反应出搅拌摩擦焊过程中会出现的变化情况。
因此，使用模拟的方法对搅拌摩擦焊的温度进行研究是目前十分普遍的一种研究方法，常使用的热源模型包括基于滑动和黏着摩擦生热模型等。但是与实际的焊接结果会因为搅拌头附近的接触等实际影响而有所差异。
1.2.3搅拌摩擦焊金属塑性流动研究
搅拌摩擦焊的过程中，不仅温度会影响接头性能，焊件材料流动情况也会影响，因为材料流动情况实验较复杂，要通过很多大型软件进行材料直接追踪，所以只能用其他方法来检测。例如可以通过在温度场上耦合一个流场模拟焊接时的材料流动，来了解材料内部情况，以此来观察金属的塑性变形。
Schmidt等[23]的实验通过在被焊件中加入可以被标识的铜箔，通过X射线扫描技术来观察温度、材料流动情况。Carter Hamilton等[24]的实验通过对钪改性铝合金的搅拌头采取元素示踪法，从而观察搅拌头附近材料流动现象，并且推测出搅拌摩擦焊过程中的洋葱圈现象。R.Nandan等[25]对材料塑性流动进行实验，拥有理论基础，再通过数值模拟分析技术，综合两者对搅拌摩擦焊进行研究。张昭[26]等建立了搅拌摩擦焊模型对比了运用经典库仑摩擦定律和修整库伦摩擦定律后的焊件材料温度分布和材料流动规律，得出了搅拌头转速高时的材料流动更加充分的结论。
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