Моделирование температурных полей в процессе сварки трением с перемешиванием

Аннотация

В процессе сварки трением с перемешиванием температурные поля в зоне соединения определяют физическую возможность пластического течения разогретого материала и качественного формирования структуры шва. В данной работе представлены результаты расчетного исследования распределения температур в пластине из алюминиевого сплава АМг3 вокруг инструмента и под ним с использованием экспериментальных данных по тепловыделениям при линейной сварке трением с перемешиванием при разных скоростях вращения и перемещения инструмента различных диаметров. Для этих расчетов авторами разработана программа в пакете Mathlab, в которой инструмент представлен совокупностью элементарных источников нагрева, равномерно распределенных по его площади. Диаметр инструмента разбивается на 100 ячеек, для каждой из них рассчитывается тепловыделение в зависимости от окружной скорости вращения и скорости сварки. Температурное поле рассчитывалось как сумма температур от каждого элементарного источника. Результаты расчетов приведены в виде полей температур и изотерм на поверхности пластины из алюминиевого сплава АМг3 толщиной 4 мм для инструмента диаметром 20 мм и следующих режимов: скорости его вращения 40 и 100 рад/с, скорости сварки – 0,42 и 1,67 мм/с. После этого область в зоне нагрева пластины и внутри инструмента разбивается на участки шириной по 2 мм и получают зависимости распределения температур по средней линии сварки. Основной результат проведенных расчетов: максимальное значение температуры и наибольшее размягчение свариваемого материала наблюдается не в центре инструмента вокруг пина, где происходит перемешивание, а в области задней кромки инструмента за пином, при этом максимальное значение смещено относительно средней линии сварки на 5–8 мм в направлении, противоположном вращению инструмента. Это смещение температуры объясняется совместным влиянием скоростей вращения и сварки и больше проявляется на малых радиусах инструмента, а также с уменьшением скорости вращения и при увеличении скорости сварки. Результаты исследований могут быть использованы при разработке конструкции, геометрии и технологических схем инструмента для сварки трением с перемешиванием судовых конструкций из алюминиевых сплавов.