基于計算流體力學(xué)的攪拌摩擦焊數(shù)值模擬

高恩志,尹治利,劉冰洋

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

基于計算流體力學(xué)的攪拌摩擦焊數(shù)值模擬

高恩志,尹治利,劉冰洋

(沈陽航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

攪拌摩擦焊接FSW(Friction Stir Welding)過程是一個受多參數(shù)影響的，溫度變化、金屬流動和組織轉(zhuǎn)變等多因素互相作用的復(fù)雜過程。溫度場、流場是FSW過程的主要組成部分，存在高度非線性的復(fù)雜耦合作用。基于計算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)理論，模擬得到了FSW過程中溫度場分布云圖、不同工藝參數(shù)下的三維速度矢量圖和材料流線分布圖。結(jié)果表明，隨著攪拌針旋轉(zhuǎn)速度的增加，攪拌針附近區(qū)域材料流動更劇烈，焊接速度的提高對攪拌針及其附近區(qū)域材料的流動影響不大。FSW過程中，材料在攪拌針前方分流，在攪拌針后方焊合。分流與焊合位置均位于前進(jìn)側(cè)。隨著距焊縫表面距離的提高，焊合難度增大，從而使FSW過程中未焊合缺陷產(chǎn)生的傾向性增大。

攪拌摩擦焊；計算流體力學(xué)；數(shù)值模擬；金屬流動

攪拌摩擦焊接FSW(Friction Stir Welding)是英國焊接研究所發(fā)明的一種新型固相連接技術(shù)，在航空航天、船舶和海洋工程、軌道交通等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1]。在FSW 過程中，工件對接面處塑性金屬流動的產(chǎn)生及流動行為將會影響到溫度的分布和焊縫微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響到焊接接頭的質(zhì)量。當(dāng)焊接條件不合適時，會產(chǎn)生未焊合、溝槽等缺陷。這些缺陷本質(zhì)上是由材料流動引起的。為了改善FSW接頭的質(zhì)量，需要對FSW過程中的材料流動行為進(jìn)行深入的了解。然而，由于FSW過程的不可見性，使用實驗手段直接觀察FSW過程中的材料塑性流動行為十分困難。因此，利用數(shù)值模擬技術(shù)對FSW過程進(jìn)行建模仿真研究，對揭示FSW中材料流動、缺陷形成、組織演化等內(nèi)在機(jī)理具有重要意義。

近年來，基于計算流體力學(xué)CFD(Computational Fluid Dynamics)理論發(fā)展起來的數(shù)值模型廣泛應(yīng)用于FSW中的材料流動模擬研究?；贑FD 理論的模型將被焊材料看作非牛頓流體，通過有限體積法求解流體力學(xué)基本方程。CFD模型采用傳統(tǒng)的歐拉網(wǎng)格技術(shù)，其計算成本較低，可以有效避免網(wǎng)格畸變，并可以精確包含不同幾何特征的攪拌針形狀[2-6]。已有研究中，Ulysse[7]開發(fā)了FSW過程流體力學(xué)模型，研究結(jié)果認(rèn)為攪拌針周圍材料會在旋轉(zhuǎn)數(shù)周后停留在攪拌針底部。Seidel等[8]基于FLUENT流體力學(xué)軟件，建立了二維有限元模型，模型假設(shè)熱源來自于流體的粘性熱耗散，研究結(jié)果表明，攪拌針軸肩范圍內(nèi)的材料從后退側(cè)繞過攪拌針，并沉積在攪拌針后方。Colegrove等[9-10]同樣基于流體力學(xué)軟件FLUENT建立了FSW穩(wěn)態(tài)焊接過程材料流動模型，不同形狀攪拌針的模擬結(jié)果均表明，攪拌針前方材料被攪拌針帶到后退側(cè)，并且距離軸肩越近，材料的塑形變形越大。在CFD 模擬中，假設(shè)被焊材料在固定的計算域內(nèi)發(fā)生塑形變形，通過計算域邊界條件反映攪拌針與被焊材料的相互運(yùn)動關(guān)系，攪拌針-焊接構(gòu)件產(chǎn)熱簡化為熱源輸入。目前對FSW機(jī)理的研究并不透徹，如焊接過程中的流動與變形等。本文基于計算流體力學(xué)理論，建立FSW過程熱流耦合模型來模擬焊接中溫度場和材料流動情況，更為真實地反映攪拌摩擦焊接過程。

1 模型描述

1.1 控制方程

模擬中采用單相、不可壓縮流體流動與傳熱的控制方程。

流體連續(xù)性的數(shù)學(xué)描述(即連續(xù)性方程或質(zhì)量守恒方程)為

(1)

式(1)中ρ為密度，t為時間，V為速度矢量。

流體動量守恒的表達(dá)式為

(2)

式(2)中，p為壓力，I為單位矩陣，τ為粘性應(yīng)力張量，F(xiàn)為體積力。

能量守恒表達(dá)式為

(3)

1.2 材料模型

本文被焊材料采用6061鋁合金，其熱物理性能隨溫度變化如表1[11]所示。

表1 6061鋁合金材料性能參數(shù)

FSW過程中，被焊材料在高溫下發(fā)生劇烈的塑形變形。本文將被焊材料假設(shè)為不可壓縮的非牛頓流體，通過粘度函數(shù)來描述其耦合屬性，其表達(dá)式為[10]

(4)

根據(jù)

(5)

(6)

1.3 熱源模型

FSW過程產(chǎn)熱主要來自攪拌針不同位置與焊件接觸摩擦產(chǎn)生,本文熱源包括3部分：Q1為軸肩與焊件的上表面摩擦產(chǎn)熱；Q2為攪拌針圓錐面與周圍被焊材料接觸摩擦產(chǎn)熱,Q3為攪拌針底面與被焊材料摩擦產(chǎn)熱。文中假設(shè)攪拌針與被焊材料的摩擦做功全部轉(zhuǎn)化為熱能。

dQ=ωdM=ωrdF=ωrτcontactdA

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

其中Rs為軸肩半徑，Rp為攪拌針半徑，H為攪拌針高度，ω為攪拌針旋轉(zhuǎn)角速度。

1.4 幾何模型及邊界條件

幾何模型如圖1所示，工件幾何尺寸為120 mm×30 mm×3 mm。FSW模擬過程中，攪拌針作為剛體處理，在建立計算域時，將攪拌針表面作邊界處理，并對計算域進(jìn)行六面體網(wǎng)格剖分。

圖1 幾何模型

FSW過程中攪拌針與被焊工件發(fā)生相對位置變化。攪拌針的移動會導(dǎo)致計算域的形狀發(fā)生改變。為簡化計算過程，本文采用入口-出口的方式對模擬中的物理過程進(jìn)行簡化，即材料從板材入口(Inlet)以焊接速度流入計算域，從對側(cè)出口(Outlet)流出計算域。在攪拌針與材料的界面上施加摩擦產(chǎn)熱熱流。焊接上表面假設(shè)與空氣接觸，散熱系數(shù)為30 W/m2K；背面與卡具接觸，散熱系數(shù)設(shè)為15 000 W/m2K。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度場

FSW過程中，由于攪拌針與被焊工件之間的摩擦及材料本身的塑性變形會產(chǎn)生一定的熱量。其中摩擦產(chǎn)熱占主要部分，本文忽略了塑形變形產(chǎn)熱，由摩擦產(chǎn)生的焊接穩(wěn)態(tài)溫度場分布云圖如圖2所示。從圖2中可以看到，攪拌針周圍的材料處于高溫區(qū)，高溫區(qū)等溫線的形狀近似橢圓形。最高溫出現(xiàn)在被焊工件與攪拌針接觸的表面處，模擬得到的最高溫度超過700K。與文獻(xiàn)中模擬及實驗研究相吻合[12]。

圖2 溫度場分布云圖

2.2 速度場

圖3所示為焊接速度為120 mm/min，旋轉(zhuǎn)速度分別為600 r/min、900 r/min 和1 200 r/min時的三維速度矢量圖。從圖3中可以看到，攪拌針及軸肩周圍材料流動速度較大，并且由于軸肩的旋轉(zhuǎn)摩擦及壓力的作用，軸肩附近材料流速最大且有向下繞流的趨勢；攪拌針底部及附近的大部分材料隨著攪拌針的旋轉(zhuǎn)有向上繞流的趨勢，在遠(yuǎn)離攪拌針的區(qū)域，流動速度較小，流動性變低。隨著旋轉(zhuǎn)速度增加時，軸肩處的最大流體速度從0.285 3 m/s 增加到 0.557 9 m/s，攪拌針附近區(qū)域材料流動性明顯增強(qiáng)，這主要是由于當(dāng)攪拌針高速旋轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生了更多的熱量，被焊材料粘度減小導(dǎo)致。因此，在焊接速度保持不變的情況下，可通過提高攪拌針旋轉(zhuǎn)速度增加被焊區(qū)域材料的塑性流動速度。

圖4所示為旋轉(zhuǎn)速度為900 r/min，焊接速度分別為 60 mm/min、120 mm/min和180 mm/min時的三維速度矢量圖。從圖4中可以看出，焊接速度改變時，攪拌針及其附近區(qū)域的材料流動趨勢基本相同，在3個不同焊接速度下，攪拌針軸肩邊緣流體速度最大值分別為0.422 5 m/s、0.422 2 m/s、0.422 4 m/s，材料的流動性變化不明顯。

圖3 不同旋轉(zhuǎn)速度下的速度矢量圖

圖4 不同焊接速度下的速度矢量圖

2.3 材料流線分析

流線可以反映材料的實際運(yùn)動軌跡?？梢酝ㄟ^流線分布對FSW過程中的材料流動情況進(jìn)行分析。圖5是焊接過程中材料在水平方向的不同截面流線分布，從流線模擬結(jié)果可以看出，攪拌針前方的材料未受到攪拌針的影響，平行于焊接方向流動。材料進(jìn)入攪拌針軸肩后，在攪拌針摩擦力作用下，材料發(fā)生塑性流動，并在攪拌針前方區(qū)域發(fā)生分流，在攪拌針后方區(qū)域形成焊合，材料發(fā)生分流與焊合都出現(xiàn)在前進(jìn)側(cè)位置。從圖5a可以看出，焊縫表面位置部分塑性金屬主要受軸肩摩擦和擠壓作用，塑性金屬流動充分。沿垂直焊件表面的方向上，材料的流動能力隨著到焊件表面距離的增加而逐漸減小，在攪拌針底部區(qū)域(圖5c)，材料受軸肩影響較小，材料的塑性流動不充分，因此容易出現(xiàn)未焊合等缺陷。

圖5 焊接過程不同截面流線圖攪拌針底部

FSW過程中，焊接工藝參數(shù)等外界因素的改變會影響材料在前進(jìn)側(cè)焊合的質(zhì)量，而導(dǎo)致溝槽、未焊合等缺陷的產(chǎn)生[13-15]。模擬結(jié)果能夠在一定程度上解釋FSW過程中的缺陷傾向于在前進(jìn)側(cè)出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象。

3 結(jié)論

(1)確立了攪拌摩擦焊過程計算流體力學(xué)模型，模擬得到的溫度分布與實驗結(jié)果吻合良好；

(2)在攪拌摩擦焊接過程中，當(dāng)攪拌針的旋轉(zhuǎn)速度從600 r/min增加到1 200 r/min時，攪拌針附近區(qū)域材料最大流體速度從0.285 3 m/s增加到 0.557 9 m/s；焊接速度的提高(60 mm/min增加到180 mm/min)對攪拌針及其附近區(qū)域材料的流動影響不大；

(3)攪拌摩擦焊接過程中材料分流與焊合位置均發(fā)生在工件前進(jìn)側(cè)。這解釋了缺陷傾向于在前進(jìn)側(cè)產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象。距離焊接表面越遠(yuǎn)，焊合難度增大，從而產(chǎn)生未焊合缺陷的傾向越大。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：劉興民)

Numerical simulation of friction stir welding process based on computational fluid dynamics

GAO En-zhi，YIN Zhi-li,LIU Bing-yang

(College of Material Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang,110136)

Friction Stir Welding(FSW)is a complex process influenced by many factors,such as temperature,metal flow and microstructure transformation.Temperature and material flow are the main components of the FSW process,which are highly nonlinear and complex.In this study,a finite element model was established based on the computational fluid dynamics(CFD).The temperature distribution diagram,the velocity vector diagram and the materials streamline distribution diagram at different processing parameters were obtained in the FSW process.The results show that the material flow near the pin is more violent with the increase of the rotating speed of the pin and the effect of welding speed on material flow is not obvious.It is indicated from the simulation results that material separates in the front of the pin and welds behind the pin.Both the separating and welding occur on the advancing side.The difficulty of welding in FSW increases with the increase of distance from the welding surface,and the unlocked void is more likely to be formed.

friction stir welding;computational fluid dynamics;numerical simulation;metal flow

2016-10-28

國家自然科學(xué)基金(項目編號：51405310)；遼寧省教育廳科學(xué)研究一般項目(項目編號：L2014055)

高恩志(1979-)，男，遼寧清原人，講師，博士，主要研究方向：材料加工，E-mail：enzhidan@hotmail.com。

2095-1248(2016)06-0049-05

TG402

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2016.06.008

機(jī)械與材料工程