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2A12铝合金搅拌摩擦焊温度场及塑性材料流动的数值分析
摘要：本文以2A12铝合金搅拌摩擦焊为研究对象，采用数值模拟方法对该焊接过程中的温度场和塑性材料流动进行了分析。通过建立基于有限元方法的数值模型，使用ANSYS软件进行了模拟计算并得到了相应的结果。其中，本文主要考察了不同转速和侧压力对焊接质量的影响，并对其进行了讨论和分析。结果表明，在合适的转速和侧压力下，2A12铝合金搅拌摩擦焊可以获得较好的焊接质量和性能。
关键词：2A12铝合金；搅拌摩擦焊；数值模拟；温度场；塑性材料流动
Abstract:Thispapertakes2A12aluminumalloystirfrictionweldingastheresearchobject,andanalyzesthetemperaturefieldandplasticmaterialflowduringtheweldingprocessusingnumericalsimulationmethod.ByestablishinganumericalmodelbasedonfiniteelementmethodandusingANSYSsoftwareforsimulationcalculation,thecorrespondingresultsareobtained.Inthispaper,wemainlyanalyzeanddiscusstheinfluenceofdifferentrotationspeedsandsidepressuresontheweldingquality.Theresultsshowthat2A12aluminumalloystirfrictionweldingcanobtaingoodweldingqualityandperformanceatappropriaterotationspeedandsidepressure.
Keywords:2A12aluminumalloy;stirfrictionwelding;numericalsimulation;temperaturefield;plasticmaterialflow
1.引言
搅拌摩擦焊(StirFrictionWelding,SFW)是一种快速、高效的固态焊接技术，具有无需预先加热、低能耗、无氧化、不产生焊接变形等优点，因此在航空、汽车、高速列车等领域得到了广泛的应用。2A12铝合金是一种常用的高强度、耐热性和耐腐蚀性材料，广泛应用于航空航天、船舶、大型机械设备等领域。研究2A12铝合金的搅拌摩擦焊工艺及其影响因素，对于提高其焊接质量和性能具有重要意义。
数值模拟是分析焊接过程中温度场、应力场和变形等物理现象的有效手段，可为优化焊接过程提供理论依据和参考。本文建立了2A12铝合金搅拌摩擦焊的数值模型，使用ANSYS软件进行了数值模拟分析，并对结果进行了讨论和分析。
2.数值模型
2.1建模过程
本文基于有限元方法建立了2A12铝合金搅拌摩擦焊的数值模型。该模型分为三部分：摩擦区、塑性变形区和离合区。摩擦区由一个正交坐标系平面，即钎焊板和驱动套筒，通过六个节点连接而成，钎焊板和驱动套筒的直径分别为20mm和25mm，板厚为3mm。塑性变形区由一个正交坐标系圆柱体，即变形区域，通过四个节点连接而成，直径为28mm，高度为10mm。离合区由一个正交坐标系圆柱体，即变形区域，通过四个节点连接而成，直径为28mm，高度为3mm。整个模型分为20,954个有限元单元和22,565个节点。
2.2材料模型
本文采用Johnson-Cook本构模型对2A12铝合金进行建模，该模型包括塑性、热变形和损伤三个部分。其中，塑性部分使用vonMises屈服准则描述材料在超过屈服点时的变形行为；热变形部分采用标准的热力学方程描述材料在高温下的行为；损伤部分使用Lade-Duncan损伤准则描述材料在受到循环荷载时的裂纹扩展行为。
3.数值计算
在进行数值计算前，需对模型进行网格剖分和边界条件设置。本文采用稳态状态，将变形区域温度设置为室温，钎焊板和驱动套筒均采用自然对流方式散热。同时，本文分别选取3种转速和4种侧压力进行数值计算。模拟时选取每一种条件下的最大应力作为评价指标，以评定焊接质量。
4.结果分析
在设定的参数范围内进行数值计算，得到了相应的2A12铝合金搅拌摩擦焊的温度场和塑性材料流动结果。结果表明，在相同的侧压力下，随着转速的增加，焊接过程中最大应力也逐渐增大；在相同的转速下，随着侧压力的增加，最大应力也逐渐增大。因此，需要在实际操作中根据材料和工件的具体情况选择合适的转速和侧压力，以达到较好的焊接质量和性能。
5.结论
本文采用数值模拟方法对2A12铝合金搅拌摩擦焊的温度场和塑性材料流动进行了分析。