6082-T6回填式攪拌摩擦點焊熱-流耦合分析

王希靖，許有偉，魏萬奎，欒國紅

（1.有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室（蘭州理工大學(xué)），蘭州 730050；2.北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心， 北京 100024）

6082-T6回填式攪拌摩擦點焊熱-流耦合分析

王希靖1，許有偉1，魏萬奎1，欒國紅2

（1.有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室（蘭州理工大學(xué)），蘭州 730050；2.北京航空制造工程研究所中國攪拌摩擦焊中心， 北京 100024）

為了解釋了回填式攪拌摩擦點焊的連接機理，本文根據(jù)6082-T6鋁合金回填式攪拌摩擦點焊焊接過程的特點，建立了簡化的熱源模型，利用有限元分析軟件ANSYS模擬出焊接過程中的溫度場，進而耦合得到其應(yīng)力場.結(jié)果表明：隨著焊接過程的進行，鋁合金6082-T6最高溫度分布在袖筒1/2處，焊點處粘塑性金屬的最大流動速度出現(xiàn)在鋁合金上表面袖筒內(nèi)側(cè)區(qū)域；通過分析模擬過程中流體流動的流線與試驗測量所得接頭形貌照片，得到流場的分布規(guī)律.

熱-流耦合模型；回填式攪拌摩擦點焊；有限元模擬

回填式攪拌摩擦點焊是一種可靠、節(jié)能、環(huán)保的輕金屬單點固相連接技術(shù)，與電阻點焊和鉚接相比，它具有接頭強度高、質(zhì)量穩(wěn)定性好、焊接變形小、能耗低以及焊點美觀等優(yōu)點［1］.國內(nèi)外學(xué)者對回填式攪拌摩擦點焊的研究主要集中在焊接工藝、接頭力學(xué)性能及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面，對焊接過程中材料塑性流動機理的研究尚處于探索階段［2］.

Song等人［3］建立了三維攪拌摩擦焊接過程的熱模型，認為焊接過程中的熱量由兩部分組成：軸肩與工件的摩擦產(chǎn)熱和攪拌針周圍材料的剪切變形產(chǎn)熱，但沒有考慮攪拌頭周圍材料流動的影響.李紅克［4］建立了熱量自適應(yīng)的攪拌摩擦焊接模型，認為熱量隨溫度、材料性能而改變.趙衍華等人［5］利用FLUENT軟件建立了攪拌摩擦焊接過程的數(shù)值分析模型，認為熱量完全由粘性耗散產(chǎn)生.為了分析回填式攪拌摩擦點焊焊接過程中熱流相互作用下的溫度場及速度場，本文結(jié)合鋁合金6082-T6回填式攪拌摩擦點焊的實際流場特征，以流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立了回填式攪拌摩擦點焊焊接過程中塑性材料流動的數(shù)學(xué)模型；采用有限元分析軟件ANSYS，對焊接過程中焊點區(qū)域的金屬進行三維熱-流耦合數(shù)值模擬和試驗測量.

1 試驗材料及設(shè)備

試驗所用6082-T6鋁合金的尺寸為150 mm× 50 mm×2 mm，化學(xué)成分如表1所示，搭接方式如圖1所示.試驗用回填式攪拌摩擦點焊焊機由攪拌摩擦焊接中心提供，攪拌針直徑為5 mm，袖筒外徑為9 mm，夾緊套外徑為18 mm.所用的工藝參數(shù)為：攪拌套旋轉(zhuǎn)速度為2 100 r/min，下扎時間為3 s，回填時間為3 s，下扎深度2.7 mm.

表1 鋁合金6082-T6的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)/%）

圖1 搭接方式示意圖

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 熱源模型

掌握回填式攪拌摩擦點焊過程的溫度分布，可以更好地計算與其流場計算密切相關(guān)的材料粘度等特性，從而更好地了解焊接過程中材料的流場分布規(guī)律.袖筒產(chǎn)熱實際有效區(qū)域為外徑R1與內(nèi)徑R2之間的環(huán)，假設(shè)焊接壓力均勻地施加于軸肩，不隨半徑變化，則半徑為r，寬度為dr的微圓環(huán)上所受摩擦力為［6-7］

式中μ為摩擦系數(shù).

微圓環(huán)上袖筒旋轉(zhuǎn)作用力矩為

袖筒旋轉(zhuǎn)扭矩為

袖筒產(chǎn)熱功率為

式中：ω為攪拌頭轉(zhuǎn)速；P為袖筒端面上所受軸向力.

攪拌針半徑為R2，高度為H，設(shè)攪拌針承受的均勻壓力為P，則攪拌針旋轉(zhuǎn)扭矩為［6-7］

產(chǎn)熱功率為

2.2 流場控制方程

本文將焊點區(qū)域處于粘塑性狀態(tài)的流體視為非牛頓流體［8-9］，結(jié)合回填式攪拌摩擦點焊的流場特征，模擬采用的控制方程包括質(zhì)量守恒方程（連續(xù)性方程）動量守恒方程和能量守恒方程［10］.

連續(xù)性方程采用Eulerian方程.由于材料是不可壓縮流體，密度為常數(shù)，故連續(xù)性方程為

式中：μ，ν，ω是速度矢量；x，y，z是坐標(biāo)方向.動量守恒方程采用Navier-Stokes方程：

式中：ρ和P分別表示密度和壓力，V是速度矢量，G是重力，τ是切應(yīng)力.

能量守恒方程根據(jù)傅里葉導(dǎo)熱定律和能量守恒原理，并引入剪切應(yīng)力得到

式中CP為液相比熱容.

3 有限元模型

本文采用ANSYS中FLOTRAN CFD分析模塊，選用FLUID142單元建立三維流場模型［11］.根據(jù)回填式攪拌摩擦點焊的特點，焊接時只有袖筒附近的金屬發(fā)生塑性流動，因此只取焊點周圍尺寸為20 mm×20 mm的區(qū)域進行研究.在進行網(wǎng)格劃分時，為了保證計算準確性的同時又盡可能減少計算量，采用非均勻網(wǎng)格劃分［12］，在焊點中心附近的區(qū)域采用較密集的網(wǎng)格，遠離焊點中心的區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格，三維模型及網(wǎng)格劃分如圖2所示.

圖2 有限元網(wǎng)格模型

4 邊界條件

6082-T6鋁合金在不同溫度時的物理參數(shù)如表2所示.焊接過程中待焊工件的熱量從兩方面流失，即：一方面，點焊過程中產(chǎn)生的熱量，使待焊工件與周圍環(huán)境之間形成溫度差，因此在待焊工件的各個表面上施加表面對流邊界條件，對流換熱系數(shù)為50 W/m2·K；另一方面，待焊工件底面與墊板之間及焊點區(qū)域與攪拌頭間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)系數(shù)為150 W/m2·K［13］.

表2 6082-T6鋁合金在不同溫度時的物理參數(shù)

本文在進行鋁合金6082-T6回填式攪拌摩擦點焊流場模擬時，將所建模型除攪拌頭作用區(qū)域外，其余各面節(jié)點施加各向為零的約束，同時采用有效粘性系數(shù)法將固相看成是流速幾乎為零的液相［14］.當(dāng)溫度小于或等于固相溫度時，設(shè)置一個較大的粘度系數(shù)，以確保固相區(qū)速度接近于零，粘塑性金屬則給定實際粘度系數(shù).具體實現(xiàn)方法是將金屬的粘度設(shè)置為溫度T的函數(shù)［11］，即

DENS=NOMINAL+COF2×（T-COF1）+

COF3×（T-COF1）2.

式中：NOMINAL為所定義流體性質(zhì)的名義值；COF1為流體性質(zhì)的名義值相對應(yīng)的溫度；COF2為流體性質(zhì)隨溫度變化方程中的第一系數(shù)項；COF3為流體性質(zhì)隨溫度變化方程中的第二系數(shù)項.

5 模擬結(jié)果與分析

5.1 回填式攪拌摩擦點焊的溫度場分布

鋁合金6082-T6回填式攪拌摩擦點焊t=3 s、t=6 s時焊點上表面的溫度分布和焊點橫截面處的溫度分布如圖3所示.可以看出，最高溫度分布在鋁合金表面袖筒1/2處，這是由于該區(qū)域相對于焊點中心位置攪拌頭旋轉(zhuǎn)的線速度較大，產(chǎn)生的熱量較多；相對于焊點邊緣位置不能進行有效的熱傳導(dǎo)，熱量不易散失；焊接時的最高溫度為376℃左右，小于鋁合金6082-T6的固相線溫度.

圖3 不同時刻焊點處的溫度分布（單位：℃）

5.2 回填式攪拌摩擦點焊的流場分布

回填式攪拌摩擦點焊焊接前3 s，袖筒下壓，與被焊金屬產(chǎn)生激烈的摩擦，同時攪拌針回抽形成空腔，在袖筒的擠壓作用下使達到粘塑性狀態(tài)的金屬流入空腔，t=3 s時焊點上表面的流場速度矢量如圖4所示，可以看出焊點區(qū)域粘塑性金屬的流動方向與袖筒旋轉(zhuǎn)方向一致，指向焊點中心；靠近袖筒內(nèi)側(cè)區(qū)域粘塑性金屬流動速度最大，這是因為：由于空腔的存在及袖筒的擠壓作用，高溫高壓的粘塑性金屬被擠入空腔的過程中易達到最高流速；另外，焊點邊緣的金屬基本處于固體狀態(tài)，在此處作相對運動的兩流體層的接觸面上，存在一對等值而反向的作用力來阻礙兩相鄰流體層作相對運動，因此，焊點邊緣區(qū)域粘塑性金屬的流動速度有所下降.

圖4 t=3 s時焊點上表面的流場速度矢量圖（單位：m/s）

回填式攪拌摩擦點焊焊接前3 s，焊點橫切面處流場的速度矢量如圖5所示.可以看出，在壓力、摩擦力的聯(lián)合作用下，焊點表面的粘塑性金屬向下流動，沿“碗狀”流線返回焊點中心表面.這個過程使袖筒與鋁合金表面產(chǎn)生的摩擦熱隨流體不斷的流向焊點根部，有助于增加搭接的被焊材料間的攪拌作用，使其充分混合，從而增加接頭強度，這就是為什么回填式攪拌摩擦點焊盡管在焊點處無攪拌針的攪拌作用，被焊材料卻能夠被充分焊合的原因.回填式攪拌摩擦點焊焊接過程中，焊點中心的根部，即“碗底”區(qū)域的金屬流動速度較小，這是由于帶著大量熱量的表面高溫流體在流動過程中都避開了“碗底”，因此該區(qū)域的溫度低，粘度大；另外，該區(qū)域的粘塑性流體受到袖筒的壓力在水平方向上是等值的，這就限制了它只能在豎直方向上流動，因此其流速較小.

圖5 t=3 s時橫截面上的流場速度矢量圖（單位：m/s）

焊接后3 s，袖筒上升，攪拌針下降，焊點橫切面流場的速度矢量如圖6所示，可以看出，焊合區(qū)的金屬在焊點中心沿“碗狀”流線斜向外向下流動，然后沿其邊緣流向焊點表面，空腔內(nèi)的粘塑性金屬補充由于袖筒下壓在被焊材料表面留下的壓痕，使焊點更加平整，接頭更加美觀；同時，也使被焊材料間的混合更加充分.

圖6 t=6 s時橫截面上的流場的矢量圖（單位：m/s）

6 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

回填式攪拌摩擦點焊實際流場的測定采用元素示蹤法，在搭接下板開尺寸為30 mm×20 mm× 0.5 mm的凹槽，加入平均直徑為0.1 mm的Fe粉，然后用膠將鐵粉均勻的填滿凹槽，焊后對點焊接頭取20 mm×15 mm×2 mm的試樣，經(jīng)過2000水磨砂紙磨光后，對試樣進行進一步的拋光，目的是除去試樣表面精磨留下的細磨紋，并去除形變擾亂層，當(dāng)試樣表面光滑、無劃痕、表面光亮?xí)r，再用1%的HF進行接頭腐蝕，最后進行光學(xué)顯微鏡分析，對所得圖案進行拼接，觀測Fe粉在整個點焊接頭中的分布情況，焊點中心橫切截面的接頭形貌如圖7所示.可以看出，回填式攪拌摩擦點焊接頭形貌呈“碗狀”分布，攪拌針區(qū)域向內(nèi)凹陷，點焊接頭截面上Fe粉在攪拌針下方區(qū)域分布較多，袖筒區(qū)域分布較少，這是因為粘塑性金屬兩次相反方向的流動使熔點較高，質(zhì)量較大，處于固體狀態(tài)下的Fe粉沉積在流動速度較小的“碗底”的結(jié)果.

圖7 焊點橫切截面的接頭形貌

通過以上分析，可以看到，使用ANSYS軟件模擬得到鋁合金6082-T6回填式攪拌摩擦點焊三維流場的結(jié)果和實際試驗測量所得照片中被焊材料的流向曲線吻合的較好，數(shù)值模擬的結(jié)果基本上反應(yīng)了材料流動的大體走向，說明所建立的回填式攪拌摩擦點焊熱-流耦合數(shù)值模型是合理的.

7 結(jié) 論

1）通過分析數(shù)值模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)隨著回填式攪拌摩擦點焊焊接過程的進行，鋁合金6082-T6最高溫度為376℃左右，分布在袖筒1/2處；最大速度為0.279 m/s，出現(xiàn)在鋁合金上表面袖筒內(nèi)側(cè)區(qū)域.

2）通過分析焊點處流體流動的方式，發(fā)現(xiàn)在摩擦力和壓力的聯(lián)合作用下，焊合區(qū)內(nèi)部的粘塑性金屬從鋁合金表面沿“碗狀”路線流向焊點根部，再由焊點根部斜向上、向內(nèi)流向攪拌頭的空腔及邊緣，該過程合理闡釋了回填式攪拌摩擦點焊接頭的連接機理.

3）通過對比試驗結(jié)果與模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗所得接頭形貌照片即為模擬過程中塑性金屬流動的最終結(jié)果，說明本文建立的回填式攪拌摩擦點焊三維熱-流耦合數(shù)值模型是合理的，所采用的數(shù)值求解方法是正確的.

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（編輯 張積賓）

Heat-flow coupling analysis of 6082-T6 with refill friction stir spot welding

WANG Xijing1，XU Youwei1，WEI Wankui1，LUAN Guohong2

（1.State Key Laboratory of Ministry of Non-Ferrous Metals Advanced Processing and Reuse（Lanzhou University of Technology），Lanzhou 730050，China；2.Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute China FSW Center，Beijing 100024，China）

To explain connection mechanism of refill friction stir spot welding，this paper based on the characteristics of refill friction stir spot welding welded 6082-T6 aluminum alloy，establishing a simplified heat input numerical model and using finite element analysis software ANSYS to simulate refill friction stir spot welding temperature field in the process of welding，then obtain the stress field through coupling.The results showed that：in the welding process，the highest temperature is located at 1/2 of sleeve and the fastest velocity of flow appeared on the surface of aluminum alloy and the inside of sleeve；compared the fluid flow stream lines of simulation and joint morphology of actual measurement，get the distribution of flow field.

three-dimensional heat-flow coupling model；refill friction stir spot welding；finite element simulation

TG402

A

1005-0299（2015）06-0120-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150622

2014-12-11.

國家科技重大專項（2012ZX04008011）.

王希靖，男，教授，博士生研究生導(dǎo)師.

許有偉，E-mail：xuyouwei_lot@163.com.