基于ANSYS的超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真*

夏羅生

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南張家界 427000）

攪拌摩擦焊技術(shù)（FSW）是一項(xiàng)可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保清潔戰(zhàn)略技術(shù)，在高速軌道列車、航空航天飛行器、高速艦船快艇、汽車等輕型化結(jié)構(gòu)以及各種鋁合金型材拼焊結(jié)構(gòu)制造中，已經(jīng)顯示出良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益［1－4］。

1 超聲攪拌摩擦焊的作用

攪拌摩擦焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于薄板和中等厚度鋁合金板的焊接，取得了很好的焊接效果，但在焊接厚板時(shí)焊縫會(huì)出現(xiàn)焊接缺陷，這與攪拌摩擦焊接熱能形成有關(guān)。攪拌摩擦焊接時(shí)，被焊材料熱塑化所需熱量主要來(lái)自攪拌頭臺(tái)肩與焊件上表面的摩擦生熱，這樣就導(dǎo)致了焊接時(shí)表層溫度高、底層溫度較低的情況。如果焊接厚度加大，焊縫組織會(huì)出現(xiàn)上下不均勻現(xiàn)象，在焊縫深層及底層會(huì)出現(xiàn)組織疏松或空洞等焊接缺陷［5－8］。

考慮到工程中廣泛存在厚板焊接，為解決厚板焊接困難的問題，導(dǎo)入超聲振動(dòng)的攪拌摩擦焊接新方法。通過超聲振動(dòng)裝置，向焊縫深層區(qū)導(dǎo)入超聲振動(dòng)機(jī)械能，利用超聲波減小金屬塑性流動(dòng)阻力，增加其流變塑性的物理效應(yīng)，改善材料力學(xué)性能，消除焊縫底層焊接不充分或組織疏松等缺陷［9－10］。

2 超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)工作原理

超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)是在現(xiàn)有攪拌摩擦焊接設(shè)備的攪拌頭上加裝超聲裝置構(gòu)成，主要由超聲波電源、超聲換能器1、超聲變幅桿2和攪棒針4等組成，如圖1所示。超聲波電源主要是將工頻的交流電轉(zhuǎn)換為超聲頻電振蕩信號(hào)，為換能器提供激勵(lì)輸入。超聲換能器1通過具有逆壓電效應(yīng)的材料，將來(lái)自超聲波電源的電能量轉(zhuǎn)換成聲能量，并在換能器的端面產(chǎn)生超聲頻的機(jī)械振動(dòng)。超聲變幅桿2與超聲換能器1緊密連接，由于變幅桿截面越小，能量密度越大，振動(dòng)的幅值也就越大，因此變幅桿2能夠?qū)Q能器輸出端的超聲振動(dòng)放大。焊接時(shí)，超聲換能器1將超聲頻電能轉(zhuǎn)換成超聲機(jī)械振動(dòng)波，通過變幅桿2帶動(dòng)攪棒針4作超聲波振動(dòng)，與此同時(shí)，超聲換能器1、變幅桿2、攪棒針4與臺(tái)肩3一起高速旋轉(zhuǎn)，鉆入焊件5與6的接縫，并與焊件保持一定壓力，周圍金屬在攪棒和臺(tái)肩與焊件間的高速旋轉(zhuǎn)摩擦作用下受熱軟化，并在高速旋轉(zhuǎn)攪拌作用和超聲振動(dòng)的作用下，從攪棒前方流向后方并焊合。

3 超聲攪拌摩擦焊接裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超聲攪拌摩擦焊接裝置是實(shí)現(xiàn)厚板攪拌摩擦焊接的關(guān)鍵，根據(jù)超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)工作原理及攪拌要求，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。常規(guī)的攪拌摩擦焊接設(shè)備中，攪拌針直接安裝在焊機(jī)主軸前端，并由焊機(jī)主軸帶動(dòng)一起旋轉(zhuǎn)。圖2中，法蘭盤7的前端錐面與焊機(jī)主軸1的錐孔配合進(jìn)行定心，并通過聯(lián)接螺釘連接，扭矩由焊機(jī)主軸1前端的端面鍵傳遞給法蘭盤7。超聲換能器5安裝在法蘭盤7中，由位于其節(jié)點(diǎn)處（振幅為零處）的凸肩、定位在法蘭盤7中心、通過端面鍵8與連接套10聯(lián)接，連接套10由其上部止口與法蘭盤7定心，通過聯(lián)接螺釘與法蘭盤7聯(lián)接并軸向壓緊換能器5，超聲變幅桿9與換能器5緊密聯(lián)接，變幅桿下端與攪棒針11緊密聯(lián)結(jié)。臺(tái)肩13由連接套10內(nèi)孔定心，并由止動(dòng)螺釘12固定于連接套下端，臺(tái)肩中心的孔與攪棒針11外圓構(gòu)成動(dòng)配合，側(cè)向支撐攪棒，卸除變幅桿所受的彎曲載荷，并允許攪棒針作超聲振動(dòng)，臺(tái)肩與攪棒無(wú)宏觀相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩者合在一起構(gòu)成超聲攪拌焊頭，除攪棒作微幅超聲振動(dòng)外，其余與常規(guī)攪拌摩擦焊一樣。法蘭盤7外圓裝絕緣套3，由壓蓋和壓緊螺釘2實(shí)現(xiàn)與法蘭盤7的固定，絕緣套3外圓固定兩個(gè)銅環(huán)4，工作時(shí)，銅環(huán)隨法蘭盤7旋轉(zhuǎn)，碳刷組件6固定于主軸箱上不動(dòng)，碳刷組件上的兩個(gè)碳?jí)K電極分別與兩銅環(huán)保持接觸，換能器5的兩個(gè)電極經(jīng)內(nèi)部導(dǎo)線分別與兩銅環(huán)導(dǎo)通。

工作時(shí)，來(lái)自超聲波發(fā)生器的勵(lì)振電壓通過碳刷組件6經(jīng)銅環(huán)4，再經(jīng)連接在銅環(huán)上的接線柱與可回轉(zhuǎn)的的超聲換能器5的電極相連，即可將激勵(lì)電壓加在換能器5的壓電晶體兩端，從而在換能器的兩端產(chǎn)生高頻的機(jī)械振動(dòng)。換能器的輸出端經(jīng)螺紋與圓錐形超聲變幅桿9相連接，將換能器輸出的微小振幅放大，從而在攪拌針11的端面產(chǎn)生高頻小振幅的振動(dòng)，一方面可以將振動(dòng)的能量轉(zhuǎn)化為熱能，改善焊縫底層的金屬的溫度分布;另一方面，通過超聲振動(dòng)來(lái)改善焊接過程中軟化材料的流動(dòng)性能以及組織的再結(jié)晶過程等。

4 超聲攪拌摩擦焊接裝置仿真與分析

超聲攪拌摩擦焊接裝置能否達(dá)到改善焊縫力學(xué)性能，消除焊縫底層焊接不充分或組織疏松等缺陷的目的，取決于以下兩個(gè)方面:一是超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的固有頻率是否與工作頻率相同;二是在攪拌針前端產(chǎn)生的軸向超聲振動(dòng)是否是該超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)產(chǎn)生的主要振動(dòng)。它們決定了此系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)最佳的能量轉(zhuǎn)換和傳遞，為此需對(duì)此超聲攪拌摩擦焊接裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，主要包括模態(tài)分析（固有振動(dòng)頻率分析）和諧響應(yīng)分析。由于該裝置既有超聲換能器的壓電效應(yīng)，又有機(jī)械結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的放大作用，是一種結(jié)構(gòu)場(chǎng)與電場(chǎng)的耦合場(chǎng)，若只對(duì)單一場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，其仿真分析結(jié)果與實(shí)踐會(huì)有較大的出入，因此要真實(shí)反映實(shí)際情況，需將結(jié)構(gòu)場(chǎng)與電場(chǎng)進(jìn)行耦合，一起進(jìn)行分析。ANSYS軟件具有對(duì)兩種或者多種物理場(chǎng)的交叉作用和相互影響進(jìn)行綜合仿真運(yùn)算的能力，其中的PLANE23（耦合場(chǎng)四邊形單元）、SOLID5（耦合場(chǎng)六面體單元）、SOLID98（耦合場(chǎng)四面體單元）等主要用于對(duì)壓電晶體材料的機(jī)電耦合問題進(jìn)行分析［10－12］。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來(lái)分析在無(wú)阻尼自由振動(dòng)的條件下，超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和振型。固有頻率和振型是功率超聲系統(tǒng)的重要特性，它決定了所設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)最佳的功率轉(zhuǎn)換和傳遞。在建模時(shí)忽略電極片的厚度及連接螺栓以及預(yù)應(yīng)力的作用，考慮到換能器和變副桿的幾何形狀為軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)，建立有限元模型時(shí)可以只取其結(jié)構(gòu)的1/4，然后在其剖分面上加上對(duì)稱邊界條件來(lái)處理，這樣可以大量減少網(wǎng)格劃分時(shí)形成的單元數(shù)目和節(jié)點(diǎn)數(shù)目，壓電陶瓷采用帶電壓自由度的8結(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID5，其余部分采用彈性8結(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID5，采用SWEEP方式和Free方式相結(jié)合劃分網(wǎng)格，所建立的模型及網(wǎng)格劃分如圖3。

對(duì)有限元模型進(jìn)行加載和求解時(shí)，定義分析類型為模態(tài)分析，選擇Block Lanczos方法，提取8階模態(tài)，分別將壓電陶瓷的負(fù)極3個(gè)面上所有結(jié)點(diǎn)的電壓自由度耦合和正極2個(gè)面上的所有結(jié)點(diǎn)的電壓自由度耦合。然后分別求解諧振狀態(tài)和開路狀態(tài)反諧振狀態(tài)下壓電陶瓷換能器的自然頻率，求解結(jié)果如表1所示。從表中可看出，其一階振型的共振頻率為19.494 kHz，反共振頻率為20.359 kHz。超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)的一階振型如圖4所示，其中，虛線部分為最大伸長(zhǎng)時(shí)的狀態(tài)，實(shí)體部分為壓縮時(shí)的狀態(tài)，可見在一階諧振頻率處，超聲系統(tǒng)的主要變形發(fā)生在軸向的縱振動(dòng)，與設(shè)計(jì)要求是吻合的。

表1 超聲系統(tǒng)的共振頻率與反共振頻率

4.2 諧響應(yīng)分析

進(jìn)行諧響應(yīng)分析是用來(lái)確定超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的激勵(lì)電壓時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，目的是計(jì)算出其動(dòng)力響應(yīng)，得到位移對(duì)頻率的幅頻特性曲線及其他隨頻率變化的情況。對(duì)于諧響應(yīng)分析，峰值響應(yīng)發(fā)生在激勵(lì)電壓頻率和固有頻率相等時(shí)，也就是說，只有當(dāng)換能器的工作頻率與其固有頻率相等時(shí)，換能器的端面才能達(dá)到最大位移。ANSYS分析完成后，因?yàn)閿嚢栳樁嗣娴恼穹浅暭庸こ晒Φ年P(guān)鍵所在，需在ANSYS后處理程序POST26中，定義一個(gè)變量jpc代表攪拌針端面1552號(hào)節(jié)點(diǎn)（圖4中攪拌針端面圓心處）的縱向（Z方向）位移自由度，分析出jpc隨頻率變化的關(guān)系曲線如圖5所示?？梢?，在頻率為19.494 kHz附近，整個(gè)超聲系統(tǒng)達(dá)到諧振狀態(tài)，其位移為72 μm，在第二階模態(tài)28.706 kHz附近，輸出振幅減小了約50%。

5 結(jié)語(yǔ)

利用ANSYS軟件的多物理場(chǎng)耦合功能，將超聲攪拌摩擦焊接裝置的換能器、變幅桿和攪拌針作為一個(gè)整體，將結(jié)構(gòu)場(chǎng)與電場(chǎng)進(jìn)行耦合，并綜合考慮到壓電耦合場(chǎng)的作用，建立了整個(gè)超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)的有限元計(jì)算模型。通過ANSYS的模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析計(jì)算結(jié)果表明，其共振頻率為19.494 kHz，與后來(lái)實(shí)際測(cè)量的共振頻率19.56 kHz接近。在施加1 000 V的正弦電壓時(shí)，其振動(dòng)輸出端的最大振動(dòng)位移發(fā)生在頻率為20 kHz左右，振幅約為72 μm，滿足設(shè)計(jì)要求，所設(shè)計(jì)的超聲振動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足攪拌工作時(shí)諧振的要求。

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