搅拌摩擦焊接过程的数值模拟

发布于计算。方法应用。机械。工程。第254卷，第353-369页，2013年
doi:10.1016/j.cma.2012.09.013

摘要

本文描述了用于搅拌摩擦焊（FSW）过程数值模拟的公式。FSW是一种固态连接工艺（金属在该工艺过程中不熔化），专为必须保留原始冶金特性的应用而设计。该工艺主要用于铝合金，最常用于不易热处理以恢复回火特性的大型工件。

热量要么由刀肩和工件之间的摩擦引起，要么由机械混合（搅拌和锻造）过程产生，但未达到熔点（固态过程）。

为了模拟这种焊接过程，采用了一种完全耦合的热-力解。滑动网格与销一起旋转（ALE公式），用于避免在板材的其余网格固定时，在所谓的搅拌区内工具周围的网格发生极大变形（欧拉公式）。

正交子网格尺度（OSS）技术用于稳定用于解决Stokes问题的混合速度-压力公式。这种稳定的公式可以处理材料的不可压缩行为，允许对速度场和压力场进行相等的线性插值。

材料行为由Norton–Hoff或Sheppard–Wright刚性热-粘塑性本构模型表征。

工具表面和板材之间的接触相互作用引起的摩擦加热，以及搅拌材料的粘塑性耗散引起的热量都已考虑在内。热对流和热辐射模型用于通过边界散热。

为了稳定能量平衡方程中的对流项，采用了流线迎风/Petrov–Galerkin（SUPG）公式和OSS稳定技术。

所提供的数值模拟旨在表明所提出方法的准确性及其在研究经常使用非圆销的实际FSW过程中的能力。