電磁耦合場作用下的攪拌摩擦焊耦合溫度場有限元研究.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)造了可觀的社會經(jīng)濟(jì)利益價值。但目前攪拌摩擦焊接需求大法向壓力及高轉(zhuǎn)動速度導(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)速從而減小攪拌頭磨損節(jié)約焊材,能夠有效地用于高熔點材料焊接。
　　本文通過運(yùn)用多物理場耦合分析軟件COMSOL Multiphysics對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)的溫度場及其等值面分布及變化規(guī)律。
　　本文通過對仿真模擬實驗現(xiàn)象的分析得出結(jié)論如下:
　　1.熔化時間:同等參數(shù)條件下電流以及磁場相繼引入模型,工件由室溫達(dá)到熔化溫度時

3、間得到較大縮短,同時縮短了焊接完成時間,提升了焊接效率。
　　2.溫度場及其等值面分布:電流與磁場的相繼引入導(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)中固定其中三個參數(shù),模型溫度場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的加入較大的降低了焊接對法向壓力及轉(zhuǎn)速的需求,同時也降低了焊接機(jī)床主軸剛度及電機(jī)動力輸入需求,并且減小了攪拌頭磨損,節(jié)約材料。同等發(fā)熱效率下電磁場引入后對于法向壓力需求約為未加電磁場的62.5％左右,而轉(zhuǎn)速約為之前的66.7%左右。引入電磁場在一定程度上還可解決模型在僅摩擦熱作用時不能長時間用于較