电磁耦合场作用下的搅拌摩擦焊耦合温度场有限元研究

摘要

随着全球制造产业的不断发展,焊接技术已经作为一门基础技术应用到各个行业。作为焊接技术的新成员搅拌摩擦焊接在短短二十年间,已被广泛应用于航空航天、汽车、电子电力和船舶等许多重要的工业领域,创造了可观的社会经济利益价值。但目前搅拌摩擦焊接需求大法向压力及高转动速度导致搅拌头磨损加剧等问题未能得到很好的解决。本论文研究对象为一种新型的搅拌摩擦焊即电磁搅拌摩擦焊,将搅拌头引入直流电,并在搅拌头轴肩加上电磁线圈,目的在于提高发热效率降低法向压力及转速从而减小搅拌头磨损节约焊材,能够有效地用于高熔点材料焊接。
　　本文通过运用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics对搅拌摩擦焊建立三维有限元仿真模型,仿真模拟了模型在电磁环境下的瞬态热传递,得出了单种和多种热源作用下不同工况参数的温度场及其等值面分布及变化规律。
　　本文通过对仿真模拟实验现象的分析得出结论如下:
　　1.熔化时间:同等参数条件下电流以及磁场相继引入模型,工件由室温达到熔化温度时间得到较大缩短,同时缩短了焊接完成时间,提升了焊接效率。
　　2.温度场及其等值面分布:电流与磁场的相继引入导致了同等参数条件下温度及其等值面在模型上的分布面积减小。转速、法向压力、进给速度和感应频率等参数中固定其中三个参数,模型温度场及其等值面分布面积将随着变化参数的不断增大而相应减小。无论引入电磁场与否,工件上焊接前侧温度等值面分布均稀疏于后侧,使得前侧温度梯度小于后侧。加入磁场后,由于集肤效应影响搅拌头轴肩温度等值面呈曲面形态分布,中心线左侧温度梯度大于右侧。
　　3.最高温度曲线:通过对比单一热源和多种热源作用下最高温度曲线,得出了同等发热效率下电流与磁场的加入较大的降低了焊接对法向压力及转速的需求,同时也降低了焊接机床主轴刚度及电机动力输入需求,并且减小了搅拌头磨损,节约材料。同等发热效率下电磁场引入后对于法向压力需求约为未加电磁场的62.5％左右,而转速约为之前的66.7%左右。引入电磁场在一定程度上还可解决模型在仅摩擦热作用时不能长时间用于较大进给速度焊接这一问题。
　　4.焊接时长:由于涡流热作用,模型高温分布区域将随时间的增加由搅拌头与工件接触区域逐渐向轴肩移动,当超过一定时间后最高温度将随时间呈线性增长趋势。因此本文所涉及的磁场加载方式不能长时间应用于搅拌摩擦焊接。
　　本文对新型搅拌摩擦焊有限元仿真所得出的一些结论为电磁场引入搅拌摩擦焊这一创新性概念在未来应用于实际提供了一定的仿真试验依据。

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目录

1 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 焊接发展历史

1.3 搅拌摩擦焊研究现状

1.4 课题研究内容及技术路线

1.5 本章小结

2 基本原理阐述

2.1 搅拌摩擦焊基本原理

2.2 焦耳热加热基本原理

2.3 感应加热基本原理

2.4 本章小结

3 有限元仿真模型建立

3.1 COMSOL Multilphysics软件介绍

3.2 瞬态热分析简介

3.3 搅拌摩擦焊接三维模型建立

3.4 耦合场下搅拌摩擦焊接热源模型建立

3.5 参数设置、边界条件及网络划分

3.6 本章小结

4 工况参数对模型温度场影响分析

4.1 工况参数对仅摩擦热作用下模型温度场影响分析

4.2 工况参数对载流模型温度场影响分析

4.3 工况参数对电磁耦合作用下模型温度场影响分析

4.4 耦合场对焊接高熔点材料温度场影响分析

4.5 本章小结

参考文献

附录A 主要符号说明

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果

致谢