TC4鈦合金靜止軸肩和傳統(tǒng)攪拌摩擦焊的溫度場對比

姬書得，卓 彬，高雙勝，邢敬偉，馬秩男, 路 浩

（1. 沈陽航空航天大學(xué)，沈陽 110136；2.南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，青島 266111）

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）技術(shù)是由英國焊接研究所（The Welding Institute，TWI）于1991年提出的一種新型的固相連接技術(shù)。與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比較，F(xiàn)SW具有低應(yīng)力、無常規(guī)熔焊缺陷、高質(zhì)量、綠色無污染、焊接過程操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，在鋁合金、鎂合金等導(dǎo)熱率較大的材料以及導(dǎo)熱率較小的薄板材料的焊接中得到了廣泛應(yīng)用。

然而，在應(yīng)用該技術(shù)對導(dǎo)熱率較小的厚板材料如TC4鈦合金進(jìn)行焊接時，為保證焊縫中、下部材料獲得較好的流動性，軸肩下方局部區(qū)域溫度峰可能超過β相轉(zhuǎn)變溫度甚至超過TC4的熔點(diǎn),而且在傳統(tǒng)FSW過程中，易產(chǎn)生表面弧紋與飛邊，二者對于提高FSW接頭的質(zhì)量均不利。因此，國內(nèi)外學(xué)者提出并研究了靜止軸肩攪拌摩擦焊接技術(shù)（Stationary Shoulder Friction Stir Welding, SSFSW）[1-6]。

周利[7]采用有限元軟件MARC對304不銹鋼與TC4鈦合金進(jìn)行了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊溫度場的有限元模擬，結(jié)果表明在鈦合金FSW過程中，焊縫上表面溫度峰值在1100℃以上。姬書得等[8]應(yīng)用ABAQUS有限元軟件對2mm厚的TC4鈦合金傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接過程進(jìn)行數(shù)值模擬并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)焊縫上、下表面的溫度峰值差異較大。Russell等[9]采用靜止軸肩攪拌摩擦焊接技術(shù)對6.35mm厚的TC4鈦合金進(jìn)行焊接，得到近似“碗狀”的宏觀形貌并且焊縫減薄量較小。目前，SSFSW處于可行性研究階段，還沒有應(yīng)用到工程實(shí)際中，所以需開展更深入的研究。本文結(jié)合實(shí)際焊接情況，以TC4鈦合金為研究對象，建立了基于ABAQUS的有限元模型，討論并對比了相同攪拌針尺寸情況下的傳統(tǒng)和靜止軸肩FSW過程中溫度場的分布。

1 有限元模型及焊接參數(shù)

1.1 幾何尺寸及網(wǎng)格劃分

本文選取150mm×80mm×6mm的TC4鈦合金板材作為研究對象。由于待焊板材對稱分布，取其一半進(jìn)行有限元分析，以節(jié)省計(jì)算時間和成本。模型采用8節(jié)點(diǎn)六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對靠近焊縫位置細(xì)化網(wǎng)格，焊板厚度方向劃分6層單元，如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分Fig.1 Meshing

1.2 熱源模型

攪拌摩擦焊過程中的焊接熱主要由攪拌頭軸肩和攪拌針與材料摩擦產(chǎn)生。因此，本文將軸肩產(chǎn)熱熱源模型處理為熱流密度隨軸肩半徑增大而增加的面熱源，而將攪拌針產(chǎn)熱視為熱量均勻分布的體熱源。然后利用非線性有限元軟件ABAQUS嵌入的DFLUX子程序以移動熱源的方式將熱流添加到模型中，相關(guān)熱源模型的計(jì)算如下：

式中，Qtotal是焊接過程總輸入熱量；Mz是攪拌頭轉(zhuǎn)矩，取為7.76N·m；ω是攪拌頭角速度；n是攪拌頭轉(zhuǎn)速；Qs、Qp分別為軸肩和攪拌針摩擦產(chǎn)生的熱量；qs(r)、qP(r)分別為軸肩和攪拌針的熱流密度；r是積分點(diǎn)與攪拌頭中心的距離；R0是攪拌針的半徑；R1是軸肩的半徑；h是攪拌針長度；z是模型厚度方向的坐標(biāo)。

1.3 材料及焊接參數(shù)

模擬涉及的TC4鈦合金的物理參數(shù)包括熱傳導(dǎo)系數(shù)和比熱，其在各溫度下的物理性能如表1所示[10]。鑒于材料密度隨溫度變化不大，這里取為定值4450kg/m3。

對于SSFSW來說，焊接用攪拌頭由外部靜止的大軸肩結(jié)構(gòu)與內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)的帶有小軸肩結(jié)構(gòu)的攪拌頭組成，如圖2所示。本模擬用的攪拌頭尺寸以及焊接工藝參數(shù)如表2所示。

2 模擬結(jié)果與分析

傳統(tǒng)FSW與SSFSW在壓入過程的溫度場分布規(guī)律，如圖3所示。通過分析可知，在攪拌頭完全壓入板材前1s時，如圖3（a）和（b）所示，兩種攪拌摩擦焊的溫度場分布形態(tài)接近，皆為接近攪拌針形狀的橢圓形。當(dāng)攪拌頭完全壓入板材時，傳統(tǒng)FSW由于大尺寸軸肩的高摩擦產(chǎn)熱，使得溫度場分布為典型的漏斗形，高溫區(qū)分布在軸肩外緣，如圖3（c）所示；對于SSFSW來說，由于旋轉(zhuǎn)軸肩尺寸較小，軸肩產(chǎn)熱占總熱輸入的比例不高，故厚度方向上溫度場分布形態(tài)仍是接近攪拌針形狀的“柱”形分布，如圖3（d）所示。

圖2 靜止軸肩示意Fig.2 Sketch of stationary shoulder

表1 TC4鈦合金的物理參數(shù)

表2 攪拌頭尺寸及焊接參數(shù)

圖3 傳統(tǒng)FSW與SSFSW在壓入過程的溫度場分布Fig.3 Temperature field distributions of traditional FSW and SSFSW during inserting process

傳統(tǒng)FSW和SSFSW焊接過程中厚度方向上的溫度場分布如圖4所示。通過分析可知，傳統(tǒng)FSW過程中高溫區(qū)呈“碗”狀分布，焊接過程中的溫度最大值出現(xiàn)在與軸肩邊緣作用的區(qū)域；模型沿厚度方向上有明顯的溫度梯度，溫度由板材上表面向下逐漸降低；軸肩作用下的高溫區(qū)寬于攪拌針作用下的高溫區(qū)，如圖4（a）所示。在SSFSW焊接過程中，小軸肩作用下的高溫區(qū)域?qū)挾群蛿嚢栳樝嘟匀怀尸F(xiàn)明顯的“柱”狀分布，如圖4（b）所示；相對于傳統(tǒng)攪拌摩擦焊來說，靜止軸肩攪拌摩擦焊接過程中軸肩產(chǎn)熱所占總熱輸入的比例減小，故厚度方向上溫度分布較為均勻。

兩種攪拌摩擦焊接過程中焊板上表面的溫度分布如圖5所示。在傳統(tǒng)FSW過程中，上表面溫度分布成橢圓形，長軸平行于焊接方向，最高溫度區(qū)域處于攪拌頭后方，如圖5（a）所示，這是由于TC4鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低，攪拌軸肩前方熱輸入和后方重疊導(dǎo)致的。 在SSFSW過程中，上表面溫度分布和傳統(tǒng)FSW相似，但橢圓形高溫區(qū)的短軸相對較短，在垂直于焊縫方向上的溫度梯度更大，如圖5（b）所示。

圖6是兩種攪拌摩擦焊焊縫中心上下表面特征點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線。通過分析可知，攪拌頭距離特征點(diǎn)較遠(yuǎn)時，特征點(diǎn)溫度并無明顯變化，仍保持室溫，這是由于TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較小，焊接過程對待焊板材的預(yù)熱作用不明顯；隨著攪拌頭的靠近，特征點(diǎn)溫度迅速上升并達(dá)到峰值；當(dāng)攪拌頭繼續(xù)向前移動時，特征點(diǎn)溫度逐漸降低，中間無明顯保溫過程。

為得到焊縫厚度方向上組織較為均勻的焊接接頭，沿厚度方向上的溫度應(yīng)控制在1000℃左右。結(jié)合圖4～圖6的模擬結(jié)果可知，對于TC4鈦合金的傳統(tǒng)FSW來講，由于焊件上下表面的溫差較大，致使在滿足下表面溫度峰值的情況下，焊件上表面的溫度過高甚至可能超過材料的熔點(diǎn)。這會造成TC4鈦合金FSW接頭沿焊縫厚度方向上的顯微組織不同，進(jìn)而影響到接頭的力學(xué)性能[11]。由于TC4鈦合金的SSFSW過程中焊件上、下表面的溫差較小，因此有利于獲得更優(yōu)異的接頭，這也是SSFSW適合導(dǎo)熱率低的材料連接的原因所在[9]。

圖 4 傳統(tǒng)FSW與SSFSW焊接過程的溫度場分布Fig.4 Temperature field distributions of traditional FSW and SSFSW during welding process

圖5 傳統(tǒng)FSW與SSFSW過程中焊件上表面的溫度分布Fig.5 Surface temperature distributions of traditional FSW and SSFSW during welding

圖6 傳統(tǒng)FSW與SSFSW過程上下表面特征點(diǎn)的溫度曲線Fig.6 Temperature curves of unique point on top and bottom surface of traditional FSW and SSFSW during welding

3 結(jié)論

（1）對于TC4鈦合金來說，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊攪拌針扎入階段溫度場呈“柱”狀分布，當(dāng)軸肩接觸焊縫上表面時溫度呈“漏斗”形分布；而靜止軸肩攪拌摩擦焊溫度場始終呈接近攪拌針形狀即“柱”狀分布。

（2）傳統(tǒng)攪拌摩擦焊接過程中板材上、下表面溫度峰值差異較大；靜止軸肩攪拌摩擦焊過程中板材上、下表面溫度峰值差異較小，溫度曲線重合較好。

（3）焊接穩(wěn)定階段時，靜止軸肩攪拌頭前方溫度梯度較傳統(tǒng)攪拌摩擦焊大。

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