電磁耦合場(chǎng)作用下的攪拌摩擦焊耦合溫度場(chǎng)有限元研究.pdf

1、隨著全球制造產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,焊接技術(shù)已經(jīng)作為一門基礎(chǔ)技術(shù)應(yīng)用到各個(gè)行業(yè)。作為焊接技術(shù)的新成員攪拌摩擦焊接在短短二十年間,已被廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、電子電力和船舶等許多重要的工業(yè)領(lǐng)域,創(chuàng)造了可觀的社會(huì)經(jīng)濟(jì)利益價(jià)值。但目前攪拌摩擦焊接需求大法向壓力及高轉(zhuǎn)動(dòng)速度導(dǎo)致攪拌頭磨損加劇等問題未能得到很好的解決。本論文研究對(duì)象為一種新型的攪拌摩擦焊即電磁攪拌摩擦焊,將攪拌頭引入直流電,并在攪拌頭軸肩加上電磁線圈,目的在于提高發(fā)熱效率降低法向壓力及

2、轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴾p小攪拌頭磨損節(jié)約焊材,能夠有效地用于高熔點(diǎn)材料焊接。
　　本文通過運(yùn)用多物理場(chǎng)耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對(duì)攪拌摩擦焊建立三維有限元仿真模型,仿真模擬了模型在電磁環(huán)境下的瞬態(tài)熱傳遞,得出了單種和多種熱源作用下不同工況參數(shù)的溫度場(chǎng)及其等值面分布及變化規(guī)律。
　　本文通過對(duì)仿真模擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析得出結(jié)論如下:
　　1.熔化時(shí)間:同等參數(shù)條件下電流以及磁場(chǎng)相繼引入模型,工件由室溫達(dá)到熔化溫度時(shí)

3、間得到較大縮短,同時(shí)縮短了焊接完成時(shí)間,提升了焊接效率。
　　2.溫度場(chǎng)及其等值面分布:電流與磁場(chǎng)的相繼引入導(dǎo)致了同等參數(shù)條件下溫度及其等值面在模型上的分布面積減小。轉(zhuǎn)速、法向壓力、進(jìn)給速度和感應(yīng)頻率等參數(shù)中固定其中三個(gè)參數(shù),模型溫度場(chǎng)及其等值面分布面積將隨著變化參數(shù)的不斷增大而相應(yīng)減小。無論引入電磁場(chǎng)與否,工件上焊接前側(cè)溫度等值面分布均稀疏于后側(cè),使得前側(cè)溫度梯度小于后側(cè)。加入磁場(chǎng)后,由于集膚效應(yīng)影響攪拌頭軸肩溫度等值面呈曲面形

4、態(tài)分布,中心線左側(cè)溫度梯度大于右側(cè)。
　　3.最高溫度曲線:通過對(duì)比單一熱源和多種熱源作用下最高溫度曲線,得出了同等發(fā)熱效率下電流與磁場(chǎng)的加入較大的降低了焊接對(duì)法向壓力及轉(zhuǎn)速的需求,同時(shí)也降低了焊接機(jī)床主軸剛度及電機(jī)動(dòng)力輸入需求,并且減小了攪拌頭磨損,節(jié)約材料。同等發(fā)熱效率下電磁場(chǎng)引入后對(duì)于法向壓力需求約為未加電磁場(chǎng)的62.5％左右,而轉(zhuǎn)速約為之前的66.7%左右。引入電磁場(chǎng)在一定程度上還可解決模型在僅摩擦熱作用時(shí)不能長(zhǎng)時(shí)間用于較