異厚板鋁合金攪拌摩擦焊的溫度場

楊霖

摘要：基于ABAQUS軟件對異厚度鋁合金板進(jìn)行了攪拌摩擦焊溫度場數(shù)值模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，異厚板的溫度場區(qū)域形狀為半橢圓。由于兩板厚度不同，兩側(cè)的溫度場存在差異，說明軸肩摩擦熱是熱輸入的主要來源。通過對比模擬結(jié)果可知，隨著攪拌針轉(zhuǎn)速的增加及焊接速度的減小，焊板的最高溫度逐漸增大。

關(guān)鍵詞：鋁合金；攪拌摩擦焊；溫度場

1.引言

攪拌摩擦焊（FSW）技術(shù)是英國焊接研究所于1991年發(fā)明的一種新型焊接工藝。攪拌摩擦焊工藝被認(rèn)為是近二十幾年來金屬連接工藝中最理想的發(fā)明之一，被評定為一種綠色工藝。攪拌頭由軸肩和攪拌針構(gòu)成，是攪拌摩擦焊的關(guān)鍵部件，直接影響攪拌焊接中的熱輸入方式。

本文采用ABAQUS對2mm和1.5mm厚度的兩塊不同鋁合金薄板建立熱源模型并進(jìn)行溫度場分析，推斷出不同焊接旋轉(zhuǎn)速度、焊接速度對異厚度鋁合金薄板的溫度場影響及其分布規(guī)律，為異厚板的FSW焊接變形提供理論支持。

2.仿真模型建立與驗證

2.1工件及工藝參數(shù)

實驗用鋁合金試件的尺寸為200mm×60mmx2mm，200mmx60mmx 1.5mm。攪拌頭為圓柱型，其軸肩直徑為12mm，攪拌針直徑6mm，高1.9mm，攪拌頭材質(zhì)為高速鋼。焊接從焊縫邊緣20mm處開始，所用焊接參數(shù)如表1所示。

2.2模型網(wǎng)格劃分

本文取焊件整體進(jìn)行分析。本文采用在焊縫附近區(qū)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，中間的區(qū)域?qū)儆谶^渡區(qū)域，密度略低，邊緣區(qū)域密度較小，劃分技術(shù)為掃掠網(wǎng)格劃分。圖1為異厚度鋁合金板網(wǎng)格劃分。

2.3邊界條件與熱源

FSW過程中主要的邊界條件主要包括：工件、墊板及壓板表面的熱對流和熱輻射。環(huán)境的初始溫度設(shè)為20℃。軸肩與工件的摩擦熱為面載荷加載到有限元模型中，攪拌針與焊件材料的摩擦熱處理為體熱源加載到有限元模型中。通過DFLUX子程序?qū)崿F(xiàn)熱源的加載，把邊界條件加載到模型上。

3.計算結(jié)果和分析

攪拌頭轉(zhuǎn)速影響溫度場的分布，當(dāng)焊接速度定為60mm/min時，攪拌頭轉(zhuǎn)速分別為600r/min，900r/min，1200r/min，異厚板溫度場的最高溫度分別為487.5℃、524.9℃、547℃。如圖2為1200r/min時的溫度場。

焊接速度影響熱量的大小，決定薄板溫度場的分布。固定攪拌針轉(zhuǎn)速為600r/min，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度分別為50mm/min，60mm/min，80mm/min，異厚板溫度場的最高溫度分別為512.6℃、487.5℃、401.6℃。

4.結(jié)語

（1）異厚板的溫度場區(qū)域均呈現(xiàn)為半橢圓形狀，且最高溫度出現(xiàn)在2mm焊板上，同時由于熱傳遞及攪拌的原因，1.5mm焊板溫度場區(qū)域總體上小于2mm焊板溫度場區(qū)域。

（2）同一焊接速度下，異厚板的最高溫度隨著攪拌針轉(zhuǎn)速的增大而增大。同一攪拌針轉(zhuǎn)速下，最高溫度隨焊接速度的增加而降低。且由于熱源大小的不同，使得異厚板兩板的溫度場存在差異。