攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔焊方法相比，具有焊后接頭殘余應(yīng)力小和變形小，對(duì)于克服異種材料性能差異很大、焊接困難等具有很大優(yōu)勢(shì)，焊接過(guò)程中金屬未達(dá)到熔點(diǎn)，避免了冶金反應(yīng)的發(fā)生，從而減少了金屬間化合物的生成，適合板材焊接，較為環(huán)保清潔，焊接效率高，是比較理想的異種材料連接方法[1-3]。FSW的熱量來(lái)源主要由兩部分構(gòu)成：一是攪拌頭軸肩與被焊工件母材摩擦產(chǎn)熱；二是攪拌針側(cè)面與母材的摩擦生熱[4]。由于攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱機(jī)制和連接過(guò)程十分復(fù)雜，要精確計(jì)算焊接過(guò)程中的熱輸入是十分困難的。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者們?cè)诖朔矫孀髁舜罅康南嚓P(guān)工作，但目前所建立的熱源模型還不能準(zhǔn)確地反映其傳熱過(guò)程的真實(shí)情況，而涉及異種金屬FSW領(lǐng)域的則更是鳳毛麟角，因此開展異種金屬FSW溫度場(chǎng)的研究具有較為深遠(yuǎn)的意義。
本文在鋁合金/鋼FSW搭接焊的工藝研究基礎(chǔ)上，深入分析了焊接過(guò)程中的產(chǎn)熱，并建立了鋁合金/鋼異種金屬FSW搭接焊?jìng)鳠岱治龅挠邢拊Ｐ停瑢?duì)3mm厚的2024鋁合金板與Q235鋼板FSW搭接焊進(jìn)行了有限元分析。
1 基本模擬過(guò)程
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊的數(shù)值模擬流程如圖1所示。采用ANSYS大型有限元分析軟件建
模，計(jì)算中采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元，對(duì)應(yīng)單元類型為SOLID70。材料屬性參數(shù)根據(jù)2024鋁合金和Q235鋼的熱物理參數(shù)加以定義，熱載荷根據(jù)所選單元的特征進(jìn)行加載，施加的邊界條件、加載時(shí)間可根據(jù)鋁/鋼攪拌摩擦焊的傳熱特點(diǎn)和具體焊接參數(shù)加以定義。
圖1 數(shù)值模擬流程圖
2 有限元模擬
2.1 熱源模型的建立
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊過(guò)程示意圖如圖2所示，焊接過(guò)程中的熱量來(lái)源主要集中于攪拌軸肩及攪拌針與工件相接觸的摩擦表面附近，由摩擦產(chǎn)生的熱量使工件表面溫度升高，焊縫金屬在摩擦熱的作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，并在攪拌針的劇烈攪拌下使塑化金屬發(fā)生流動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)連接。而焊接中的熱量損耗主要發(fā)生在攪拌頭、工件以及墊板處。因此在建立鋁/鋼攪拌摩擦焊熱源模型時(shí)，需考慮被焊材料熱導(dǎo)率、比熱容等特性隨溫度的變化情況等[5]。
圖2 鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊示意圖
根據(jù)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱特點(diǎn)，將熱源分為兩部分：軸肩和攪拌針與母材的摩擦產(chǎn)熱。
（1）軸肩產(chǎn)熱模型
（1）
式中， 為軸肩產(chǎn)熱功率； 為攪拌頭的角速度（其中 ， 為攪拌頭轉(zhuǎn)速）； 為軸肩與被焊母材間的摩擦系數(shù)；P為軸肩與工件間的軸向壓力； 為軸肩半徑； 為攪拌針直徑。
（2）攪拌針產(chǎn)熱模型
（2）
式中， 為攪拌針側(cè)面產(chǎn)熱功率； 為攪拌針端面產(chǎn)熱功率； 為圓臺(tái)體攪拌針錐角的1/2；H為攪拌針長(zhǎng)度。
2.2 材料熱物理性能
在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬過(guò)程中，合理選取材料熱物理性能非常重要，它直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在模型中，不考慮攪拌頭在焊接過(guò)程中的磨損，將攪拌頭設(shè)置成為剛性體，材料為H13。
本文所采用的2024鋁合金和Q235鋼熱物理性能參數(shù)如表 1 和表 2所示。材料的密度隨溫度變化很小，計(jì)算中2024合金及Q235鋼的密度分別取2640 kg/m3和 7860kg/m3。
表1 2024鋁合金的熱物理性能[6]
表2 Q235鋼的熱物理性能[7]
2.3 數(shù)值模型
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊的工藝參數(shù)如下：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1110r/min，焊接速度為44mm/min，軸肩壓入量為0.2～0.5mm，攪拌頭軸肩直徑為15mm，攪拌針長(zhǎng)2.7mm，直徑為5mm。在起始點(diǎn)位置處，攪拌頭停留預(yù)熱時(shí)間為10s，焊接總時(shí)間為100s。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)所用材料對(duì)被焊板材進(jìn)行實(shí)體建模：尺寸規(guī)格均為60mm×50mm×3mm的2024鋁合金（上）和Q235鋼（下）。對(duì)建好的實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，焊縫區(qū)由于需要進(jìn)行準(zhǔn)確的計(jì)算和分析，所以網(wǎng)格劃分較為致密。遠(yuǎn)離焊縫區(qū)位置由于溫度梯度較小則劃分較稀疏。厚度方向劃分為兩層，每層焊板單元總數(shù)約為3000個(gè)。實(shí)體模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3 有限元網(wǎng)格劃分
2.4 邊界條件
在設(shè)定數(shù)值模型的邊界條件時(shí)，假定工件固定不動(dòng)而攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊向前運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速及焊接速度如前文所述。而對(duì)于熱量傳遞和損耗，模型的邊界條件主要包括被焊工件、墊板以及壓板自由表面的對(duì)流換熱和輻射散熱，因此將墊板下表面設(shè)定為恒溫邊界，而工件與墊板、壓板之間的熱量傳遞采用溫度耦合，即接觸處溫度相同的假設(shè)[8]。
2.5 移動(dòng)熱源及熱載荷的施加
模擬攪拌摩擦焊過(guò)程時(shí)，初始階段攪拌頭會(huì)在原始位置停留一段時(shí)間，對(duì)工件進(jìn)行預(yù)熱，因此有限元計(jì)算中設(shè)置熱源在原地停留10s來(lái)模擬對(duì)工件的預(yù)熱過(guò)程。預(yù)熱結(jié)束，溫度達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)后開始移動(dòng)熱源的計(jì)算，此時(shí)采用移動(dòng)坐標(biāo)的方式，坐標(biāo)原點(diǎn)在焊接過(guò)程中始終保持在攪拌頭旋轉(zhuǎn)軸線上，從而簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程。
熱分析過(guò)程中，在每一積分步，首先判別積分點(diǎn)與熱源中心的距離，從而判斷積分點(diǎn)是位于軸肩區(qū)還是攪拌區(qū)，從而選擇相應(yīng)的熱源形式。施加移動(dòng)熱源時(shí)，通過(guò)ANSYS提供的APDL語(yǔ)言編寫子程序，運(yùn)用循環(huán)語(yǔ)句，從而實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)原點(diǎn)的移動(dòng)。
3模擬結(jié)果與分析
圖4為攪拌頭轉(zhuǎn)速為1110r/min，焊速為44mm/min，軸肩壓入量為0.4mm時(shí)有限元模擬的鋁/鋼搭接FSW瞬時(shí)溫度場(chǎng)云圖。由圖可知，攪拌針與工件接觸的區(qū)域（即焊核區(qū)）溫度最高，為352.4℃，與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合；距離攪拌針越遠(yuǎn)的區(qū)域，溫度越低，且溫度梯度越大。
圖4 瞬時(shí)溫度場(chǎng)云圖
穩(wěn)態(tài)下的溫度峰值與不同壓入量之間的關(guān)系如圖5所示。通過(guò)分析可知，軸肩壓入量對(duì)溫度峰值有著重要的影響，當(dāng)壓入量逐漸增加時(shí)，溫度峰值也逐漸增加。分析認(rèn)為這是由于壓入量增加即攪拌頭對(duì)工件的壓力P增加，從而導(dǎo)致熱輸入量增加。
圖5 峰值溫度與壓入量的關(guān)系
4工藝試驗(yàn)驗(yàn)證
對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行工藝試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)材料為厚度3mm的2024鋁合金和厚度為1mm的Q235鋼板，試件尺寸均為60mm×50mm，采用搭接的接頭型式（鋁合金板在上，鋼板在下）。攪拌針直徑為5mm，長(zhǎng)度為3mm，軸肩直徑為15mm。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1110r/min，焊接速度為44mm/min，軸肩壓入量為0.2～0.5mm。試驗(yàn)獲得接頭結(jié)合面微觀組織分析如圖6所示。
由圖6可知，當(dāng)壓入量不同時(shí)，焊縫內(nèi)部鋁/鋼結(jié)合面的形貌發(fā)生了明顯的變化。鋼側(cè)在攪拌針的旋轉(zhuǎn)擠壓下發(fā)生劇烈的彎曲變形，形成“鉤狀”結(jié)構(gòu)伸入到鋁合金側(cè)，呈機(jī)械咬合狀態(tài)。隨著壓入量的增加，“鉤狀”結(jié)構(gòu)也越明顯，即鋼側(cè)受熱發(fā)生的變形越明顯。這說(shuō)明隨著壓入量的增加，熱輸入量也在不斷增加，金屬受熱發(fā)生的塑性變形程度越大，從而驗(yàn)證了模擬結(jié)果中壓入量越大，峰值溫度越高的結(jié)論。
（a）壓入量：0.2mm；（b）壓入量：0.3mm；（c）壓入量：0.4mm；（d）壓入量：0.5mm
圖6 鋁/鋼結(jié)合面形貌
5結(jié)論
5.1計(jì)算結(jié)果表明，鋁/鋼FSW搭接焊過(guò)程中，與攪拌針接觸的區(qū)域溫度最高，距離攪拌針越遠(yuǎn)的區(qū)域，峰值溫度越低。
5.2采用此熱源模型對(duì)不同壓入量條件下的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果顯示，峰值溫度隨軸肩壓入量的增加而增大。
5.3對(duì)模擬結(jié)果與實(shí)側(cè)溫度進(jìn)行對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，說(shuō)明此熱源模型在進(jìn)行鋁/鋼FSW搭接焊有限元計(jì)算時(shí)具有較高的精度。
