搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真:不同本构方程的仿真效果对比

作     者：刘新 史清宇 路宝坤 闵爱武 乔俊楠 杨诚乐 陈高强 LIU Xin;SHI Qingyu;LU Baokun;MIN Aiwu;QIAO Junnan;YANG Chengle;CHEN Gaoqiang

作者机构：清华大学机械工程系北京100084 福建省南平铝业股份有限公司福建南平353000 

出 版 物：《电焊机》 (Electric Welding Machine)

年 卷 期：2024年第54卷第8期

页      面：20-28页

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

基　　金：国家自然科学基金面上项目(52175334) 福建省科技计划项目(2022I1011) 

主　　题：搅拌摩擦焊 数值仿真 本构模型 温度场 材料流动 

摘      要：本构方程是搅拌摩擦焊过程热-力-流全耦合仿真模型的重要部分。针对6 mm铝合金6061-T6板材FSW过程开展热-力-流全耦合仿真分析。为分析本构方程的形式对仿真效果的影响,在模型中分别采用Chen-Liu本构模型、Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型,并对仿真结果进行对比分析。仿真结果表明,Chen-Liu模型计算得到的FSW温度场及流动场与实验结果的吻合程度均高于Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型。究其原因,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,Sellars-Tegart模型和Johnson-Cook模型预测的流变应力较高,使得材料流动困难,搅拌头与工件之间的界面状态主要为滑动摩擦。相比之下,Chen-Liu模型能够体现材料在温度升高时的迅速软化现象,在搅拌头-工件界面附近的温度条件下,材料的剪切流变应力低于搅拌头/工件界面的摩擦应力,因而在摩擦作用下工件发生塑性流动,这降低了搅拌头/工件之间的滑动摩擦速度,从而使得滑动摩擦产热减少,且其减少量大于工件发生塑性流动产生的额外热量,从而使得采用Chen-Liu模型预测得到的焊接温度更低。综合来看,FSW过程温度场与材料流动速度场受材料本构模型影响归因于FSW的热-力-流全耦合效应。