李程錦,王陸釗，劉其鵬，楊鑫華

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)與智能制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)*

攪拌頭幾何參數(shù)及傾角對(duì)攪拌摩擦焊接質(zhì)量影響的數(shù)值分析

李程錦1,3,王陸釗2，劉其鵬1,3，楊鑫華1,3

(1.大連交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 大連 116028； 2.中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司 制造技術(shù)中心，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結(jié)構(gòu)與智能制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116028)*

基于ABAQUS有限元軟件，建立鋁合金攪拌摩擦焊接過(guò)程的完全熱力耦合模型，分析了攪拌頭形狀尺寸以及焊接傾角對(duì)焊接質(zhì)量的影響. 結(jié)果表明，與無(wú)焊接傾角和軸肩凹角的攪拌頭相比，采用2°焊接傾角和80.5°軸肩凹角的攪拌頭焊接時(shí)，熱塑性材料流動(dòng)性更好，焊縫成型質(zhì)量更好；圓錐形攪拌針焊接質(zhì)量要好于圓柱形攪拌針；焊接缺陷的產(chǎn)生主要是由于在焊接過(guò)程中熱輸入不足，前進(jìn)側(cè)達(dá)到熱塑性流動(dòng)的材料不足造成.

攪拌摩擦焊；攪拌頭；焊接傾角；焊接質(zhì)量

0 引言

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的一項(xiàng)先進(jìn)的固相焊接技術(shù)[1]，與傳統(tǒng)熔化焊相比，F(xiàn)SW焊后變形小、生產(chǎn)率高、易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[2]. FSW工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量影響甚大，選擇不當(dāng)，會(huì)在焊縫表面及內(nèi)部出現(xiàn)孔洞、未焊合、飛邊和溝槽等焊接缺陷，影響接頭強(qiáng)度、可靠性及使用壽命. 為了弄清楚焊接缺陷產(chǎn)生的原因，很多學(xué)者做了大量試驗(yàn)研究. 劉會(huì)杰等[3]對(duì)常見(jiàn)的焊接缺陷展開(kāi)研究，得出孔洞、未焊合、飛邊和溝槽等焊接缺陷的產(chǎn)生主要因?yàn)樵跀嚢桀^的作用下，焊縫處金屬經(jīng)歷了復(fù)雜的熱機(jī)響應(yīng)過(guò)程，過(guò)熱或者塑性流動(dòng)不足造成. 戴啟雷等[4]研究了焊接速度對(duì)接頭根部缺陷的影響，結(jié)果表明：當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速一定時(shí)，接頭根部未焊透傾向隨焊接速度的增加而增大. 張昭等人[5]采用數(shù)值模擬方法，進(jìn)一步研究了不同攪拌頭尺寸和攪拌針形狀對(duì)攪拌摩擦焊材料變形

和溫度場(chǎng)的影響. 王陸釗等[6]利用全熱力耦合方法，得出焊接過(guò)程中鋁合金充分熱塑性流動(dòng)是形成致密焊縫的必要條件.

基于此前學(xué)者的研究成果，本文以熱彈塑性有限元理論為基礎(chǔ)，利用ABAQUS有限元軟件建立固體力學(xué)范疇內(nèi)的攪拌摩擦焊接完全熱力耦合模型，進(jìn)一步分析不同攪拌頭焊接傾角、軸肩內(nèi)凹角及攪拌針幾何形狀對(duì)6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接質(zhì)量的影響.

1 模型的建立

1.1 基于ALE的有限元網(wǎng)格建模

攪拌頭采用解析剛體，共計(jì)算四種攪拌頭，具體尺寸見(jiàn)表1.軸肩端部帶有1 mm倒角，以避免計(jì)算過(guò)程中邊緣處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中而導(dǎo)致網(wǎng)格畸變，焊接過(guò)程如圖1所示，采用恒壓下量控制.

焊件幾何尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，在焊件上預(yù)設(shè)有直徑為3 mm的孔洞，用以模擬穩(wěn)定焊接階段. 利用ABAQUS的MESH模塊對(duì)幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖1所示. 單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體、位移-溫度耦合、線性實(shí)體減縮積分(C3D8RT)單元，最小單元尺寸為0.18 mm×0.35 mm×0.3 mm，厚度方向劃分十層單元，共劃分22 280個(gè)單元，25 322個(gè)節(jié)點(diǎn).

表1 攪拌頭尺寸及焊接傾角

圖1 攪拌頭及焊件網(wǎng)格模型示意圖

攪拌摩擦焊接仿真過(guò)程中，攪拌頭的旋轉(zhuǎn)及移動(dòng)會(huì)對(duì)焊件網(wǎng)格造成過(guò)度扭曲，本文采用ALE自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù). ABAQUS提供的ALE自適應(yīng)網(wǎng)格有三種邊界：拉格朗日邊界，滑移邊界和歐拉邊界. 拉格朗日邊界上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)即是材料物質(zhì)點(diǎn)，能夠真實(shí)的反映材料的運(yùn)動(dòng)情況，但模擬攪拌頭周?chē)牧系牧鲃?dòng)情況會(huì)造成網(wǎng)格畸變；滑移邊界上，在滑移面的切線方向上，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與材料物質(zhì)點(diǎn)脫離，材料在網(wǎng)格間任意流動(dòng)而網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)保持不動(dòng)，在滑移面的法線方向上，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)跟隨材料物質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，能夠真實(shí)的反映材料外表面法向的運(yùn)動(dòng)情況；歐拉邊界能夠?qū)崿F(xiàn)歐拉面上網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與材料物質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)分離，可用于模擬材料流入、流出網(wǎng)格，并且新流入的材料屬性及單元屬性與初始狀態(tài)相同.

本文采用滑移邊界和歐拉邊界，如圖1所示，滑移邊界用來(lái)模擬攪拌摩擦焊復(fù)雜的接觸狀態(tài)，歐拉邊界用來(lái)等效穩(wěn)定焊接時(shí)攪拌頭的前進(jìn)焊接.

1.2 材料模型

焊接仿真過(guò)程中，材料的熱物理性能等對(duì)溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)的分布結(jié)果有著十分重要的影響.本文針對(duì)6082-T6可熱處理強(qiáng)化鋁合金薄板展開(kāi)研究，并采用與應(yīng)變率相關(guān)的Johnson-Cook本構(gòu)方程對(duì)其材料建模[7].

Johson-Cook材料模型表示為三項(xiàng)的乘積，分別反映了應(yīng)變硬化，應(yīng)變率硬化和溫度軟化，其流動(dòng)應(yīng)力表達(dá)式為：

1.3 穩(wěn)定極限和質(zhì)量放大

全熱力耦合模型涉及應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)間強(qiáng)烈的相互作用，此耦合下的計(jì)算量規(guī)模過(guò)大，為了縮短求解時(shí)間需要預(yù)先估算增量步的最大時(shí)間步長(zhǎng)，并據(jù)選取適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量放大倍數(shù). 本文根據(jù)應(yīng)力波在材料中的傳播速度及特征單元估算穩(wěn)定極限，定義如下：

式中,Δtstable為力學(xué)計(jì)算穩(wěn)定極限；Lmin為網(wǎng)格模型中最小單元長(zhǎng)度；Cd為材料的縱波波速；E為材料的彈性模量；ν為材料的泊松比；ρ為材料的密度. 本文質(zhì)量放大系數(shù)為1E6，最小增量步長(zhǎng)由10E- 8 s增加到10E- 5 s，計(jì)算速度提高1 000倍.

1.4 接觸模型

由于模擬理想的摩擦行為非常困難，本文計(jì)算中采用罰接觸算法，接觸的切向行為采用經(jīng)典的Coulomb摩擦定律描述，法向壓力取決于求解的變量，Schmidt等[8]采用的此種接觸模型，經(jīng)典Coulomb摩擦定律為：

式中,μ為摩擦系數(shù)，本文取0.3；p為攪拌頭與焊件接觸面間壓力(MPa)，在求解過(guò)程中取決于計(jì)算結(jié)果.

1.5 邊界條件

1.5.1 位移邊界條件

如圖1所示，對(duì)鋁合金焊件底面施加沿Z軸方向的位移約束用以等效下墊板的法向支撐作用；對(duì)焊件平行于焊接方向的兩個(gè)側(cè)面施加Y軸方向的位移約束，用以等效側(cè)面夾具的固定作用；在攪拌頭下壓階段和焊前停留預(yù)熱階段，約束流入、流出面X軸方向的位移，在穩(wěn)定焊接階段，釋放流入、流出面X軸方向的位移約束，并設(shè)置焊件的流入面沿X軸負(fù)向的流入速度，以等效攪拌頭的前進(jìn)焊接.

1.5.2 熱邊界條件

在實(shí)際攪拌摩擦焊過(guò)程中，鋁合金焊件與工裝夾具和周?chē)h(huán)境存在熱交換的問(wèn)題，將焊件與工裝夾具及空氣間的熱交換等效為對(duì)工件設(shè)置相應(yīng)的間隙熱交換系數(shù)，其中底面的熱傳導(dǎo)系數(shù)為1 000 W/m2K，上表面和側(cè)面的熱傳導(dǎo)系數(shù)為100 W/m2K，流入材料溫度恒為20℃.

2 模擬結(jié)果與討論

2.1 工況(一)模擬結(jié)果

采用工況(一)焊接5 s時(shí)的溫度場(chǎng)結(jié)果如圖2(a)所示. 穩(wěn)定焊接時(shí)，在厚度方向上材料的溫度場(chǎng)分布呈碗形，軸肩內(nèi)材料溫度較均勻，上表面溫度略高于下表面溫度，溫差約為30℃，說(shuō)明軸肩產(chǎn)熱量大于攪拌針產(chǎn)熱量；材料的最高溫度位于軸肩根部，為571.6℃，小于熔點(diǎn)582℃，而軸肩范圍以外溫度迅速降至466℃以下(熔點(diǎn)的80%)，說(shuō)明熱輸入主要來(lái)自于軸肩.由圖2(b)焊接5 s時(shí)等效塑性應(yīng)變場(chǎng)可知，軸肩內(nèi)材料在攪拌頭的作用下發(fā)生劇烈的塑性變形，隨著厚度的增加，等效塑性應(yīng)變逐漸減小，這說(shuō)明焊縫中上部的成型受軸肩和攪拌針共同作用，焊縫中下部的成型主要取決于攪拌針的攪拌作用，并且隨著板厚的增加而減弱. 由圖2(c)焊接5 s時(shí)速度場(chǎng)可知，熱塑性材料的線速度隨軸肩半徑的增加而增加，并且因焊接傾角的存在，使攪拌頭傾斜側(cè)材料所受壓力較大，所以線速度的最大值位于軸肩后沿處；在板厚方向上，線速度隨板厚的增加而減小，并且發(fā)生熱塑性流動(dòng)材料的分布與軸肩和攪拌針幾何形狀相一致，結(jié)合溫度場(chǎng)結(jié)果可知，焊核處的高溫區(qū)域是材料熱塑性流動(dòng)的保證，溫度越高，達(dá)到熱塑性材料越多、流動(dòng)越充分，焊縫內(nèi)部越不易產(chǎn)生缺陷.

(a) 橫截面溫度場(chǎng)云圖

(b) 橫截面等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(c) 速度場(chǎng)云圖

2.2 其余三種工況模擬結(jié)果

采用表1中2～4號(hào)工況焊接工藝參數(shù)，分別是無(wú)焊接傾角、無(wú)軸肩凹角及柱形針的模擬結(jié)果. 圖3(a)為工況(二)無(wú)焊接傾角焊接3.3 s時(shí)的等效塑性應(yīng)變(PEEQ)云圖，在焊件近下表面處產(chǎn)生明顯的焊接缺陷，這是因?yàn)楫?dāng)攪拌頭垂直壓入焊接時(shí)，軸肩后沿對(duì)材料頂鍛壓力減弱使摩擦力減小、熱輸入減少，溫度場(chǎng)如圖3(b)所示，焊核處溫度場(chǎng)分布不均勻，使前進(jìn)側(cè)中下部材料未發(fā)生熱塑性流動(dòng)，速度場(chǎng)如圖3(c)所示，因此造成流動(dòng)材料不足，在攪拌頭后方留下的空穴未能及時(shí)填充而產(chǎn)生焊接缺陷，這與嚴(yán)鏗等[9]觀察LF5鋁合金FSW接頭金相得到的結(jié)論相符.

(a) 橫截面等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(b) 橫截面溫度場(chǎng)云圖

(c) 速度場(chǎng)云圖

圖4(a)為工況(三)去除軸肩內(nèi)凹角后焊接2.3 s時(shí)PEEQ云圖，在焊件中下部產(chǎn)生焊接缺陷. 相比于帶有軸肩內(nèi)凹角，當(dāng)軸肩變?yōu)槠脚_(tái)后，對(duì)塑性流動(dòng)材料的聚攏性減弱使軸肩對(duì)材料的壓力減小，熱輸入減少，溫度場(chǎng)如圖4(b)所示，進(jìn)而造成焊核區(qū)下表面前進(jìn)側(cè)材料未發(fā)生熱塑性流動(dòng)，速度場(chǎng)如圖4(c)所示，產(chǎn)生焊接缺陷，與張忠科等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到軸肩形狀對(duì)金屬流動(dòng)的影響規(guī)律相同.

(a) 橫截面等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(b) 橫截面溫度場(chǎng)云圖

(c) 速度場(chǎng)云圖

圖5(a)為工況(四)采用圓柱形攪拌針焊接5 s時(shí)等效塑性應(yīng)變?cè)茍D，與比圖2(b)對(duì)比可知，由柱形針焊接的焊縫等效塑性應(yīng)變均勻性要略差于錐形針，并且PPEQ的最大值小于錐形針，這說(shuō)明錐形針焊縫成型質(zhì)量更好、焊縫更致密；由溫度場(chǎng)圖5(b)與圖2(a)對(duì)比可知，柱形針焊接的溫度場(chǎng)分布與錐形針焊接的溫度場(chǎng)分布相一致且均勻，溫度的最大值為567.9℃，略小于錐形針的571.6℃；由速度場(chǎng)圖5(c)與圖2(c)對(duì)比可知，采用柱形針焊接，材料的線速度數(shù)值整體上要小于錐形針，結(jié)合溫度場(chǎng)對(duì)比結(jié)果，也可說(shuō)明材料的熱塑性流動(dòng)性與溫度密切相關(guān).此外,王希靖等[11]研究報(bào)道也說(shuō)明了攪拌針對(duì)焊接質(zhì)量有重要影響.

(a) 橫截面等效塑性應(yīng)變?cè)茍D

(b) 橫截面溫度場(chǎng)云圖

(c) 速度場(chǎng)云圖

3 結(jié)論

本文采用ABAQUS通用有限元分析軟件，對(duì)6082-T6鋁合金進(jìn)行完全熱力耦合仿真分析，得到以下結(jié)論：

(1)在沿焊縫的橫截面上溫度場(chǎng)的分布為碗形，內(nèi)凹型軸肩產(chǎn)熱大于平臺(tái)型軸肩，錐形針產(chǎn)熱大于柱形針；

(2)相同工藝條件下，攪拌頭的焊接傾角，使軸肩對(duì)攪拌頭后對(duì)方材料的頂鍛壓力更大，更有利于金屬的熱塑性流動(dòng)，焊縫成型更致密，焊接質(zhì)量更好；

(3)相同工藝條件下，內(nèi)凹型軸肩對(duì)熱塑性材料的聚攏性更好，與金屬的摩擦面積更大，更有利于金屬流動(dòng)；

(4)相同工藝條件下，錐形攪拌針對(duì)金屬的攪拌摩擦效果更好，焊縫的等效塑性應(yīng)變更均勻，焊接時(shí)材料的線速度更大，焊縫成型質(zhì)量更好；

(5)典型的孔洞、根部未焊合等缺陷易在焊縫前進(jìn)側(cè)、中下部位產(chǎn)生，其原因主要是因?yàn)樵诤附舆^(guò)程中熱輸入不足，前進(jìn)側(cè)達(dá)到熱塑性流動(dòng)的材料不足，未能及時(shí)填補(bǔ)攪拌頭后方的空穴造成.

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Numerical Analysis of Tool Geometric Parameters and Tilted Angle Impact on Quality of FSW

LI Chengjin1,3,WANG Luzhao2,LIU Qipeng1,3,YANG Xinhua1,3

(1.School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.CRRC TANGSHAN Co.,Ltd,Manufacturing Technical Center,Tangshan 063035,China; 3.Dalian Key Laboratory of Welded Structures and IMT of Rail Transportation Equipment,Dalian 116028,China)

A fully coupled thermo-mechanical model of friction stir welding process of aluminum alloy was established by ABAQUS,and the effect of tool shape and size,as well as welding tilted angle on welding quality was studied.The results show that when the welding tilted angle of 2° and the shoulder concave angle of 80.5° are adopted, the welding quality is better than the process without tilted angle and shoulder concave angle. In addition,the conical pin has a larger effect of friction stir on aluminum alloy,and its welding quality is better than using cylindrical pin.The main reasons of welding defects are that the heat input is insufficient in welding process,and the thermoplastic flow of material on the advancing side is shortage.

friction stir welding;tool;welding tilted angle;welding quality

1673- 9590(2017)05- 0070- 05

A

2017- 02- 15

遼寧省教育廳高等學(xué)?？茖W(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011220039)

李程錦(1987-)，男，碩士研究生； 楊鑫華(1969-)，男，教授，博士，主要從事焊接結(jié)構(gòu)與智能技術(shù)的研究

E-mail:yangxh@djtu.edu.cn.