攪拌摩擦焊流場仿真技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀研究

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海200245）

0 前言

攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）作為一種新型固相連接技術(shù)，焊接質(zhì)量高，廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶等領(lǐng)域。焊縫區(qū)域的材料流動(dòng)對焊接質(zhì)量具有重要的影響，一些學(xué)者采用試驗(yàn)方法研究焊縫金屬的流動(dòng)情況，只能通過焊后工件中跟蹤點(diǎn)的分布來推測材料的流動(dòng)過程，無法直接觀察到焊接的動(dòng)態(tài)過程[1]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)成為攪拌摩擦焊流場可視化的重要手段，并逐漸應(yīng)用到新型攪拌工具設(shè)計(jì)和攪拌摩擦焊接方法的研究中。

本研究通過綜述攪拌摩擦焊流場仿真技術(shù)在塑性材料流動(dòng)機(jī)理、攪拌工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及輔助能量影響分析等方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，對流場仿真技術(shù)的研究進(jìn)展和成果進(jìn)行總結(jié)，為攪拌摩擦焊仿真技術(shù)從理論分析應(yīng)用到工程實(shí)踐提供參考和依據(jù)。

1 塑性材料流動(dòng)機(jī)理

Hamilton等人[2]建立了攪拌摩擦焊熱力耦合仿真模型來研究焊縫內(nèi)部塑性材料的流動(dòng)機(jī)理，結(jié)果表明，工件上表面材料被攪拌針旋推至后退側(cè)后，一部分隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)數(shù)周后沉積在攪拌頭后方，一部分在螺紋作用下進(jìn)入攪拌區(qū)；中部和下表面的材料則隨攪拌針旋轉(zhuǎn)并在螺紋作用下向下移動(dòng)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。此外，不同于“抽吸-擠壓”理論[3]，該研究從微觀尺度研究了洋蔥瓣花紋的成形機(jī)理，發(fā)現(xiàn)進(jìn)入焊核區(qū)的上表面高溫金屬與溫度較低的焊核區(qū)金屬的第二相狀態(tài)不同，兩者在攪拌頭作用下交替堆疊，形成了洋蔥瓣花紋。采用掃描電子顯微鏡觀察研究洋蔥瓣花紋區(qū)域，發(fā)現(xiàn)第二相的分布狀態(tài)與洋蔥瓣花紋吻合，驗(yàn)證了該假說的正確性。焊核區(qū)洋蔥瓣花紋的SEM圖像如圖1所示。

圖1 焊核區(qū)洋蔥瓣花紋的SEM圖像[2]

為了更加直觀地研究塑性材料的流動(dòng)機(jī)理，Dialami等人[4-5]將粒子示蹤方法與流場仿真相結(jié)合，提出了一種新的材料流動(dòng)可視化方法，并應(yīng)用于帶螺紋攪拌針的流場分析中。該方法采用拉格朗日結(jié)構(gòu)描述攪拌針，工件采用歐拉結(jié)構(gòu)建模，攪拌區(qū)域采用ALE運(yùn)動(dòng)力學(xué)描述。結(jié)果表明，焊縫金屬在前進(jìn)側(cè)和后退側(cè)的流動(dòng)狀態(tài)不同，即材料流場并非相對于焊縫對稱。不同厚度下材料流場的試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比如圖2所示，從左至右依次為上表面、中部和下表面的材料流動(dòng)情況。可以看出，不同厚度下的流場模擬結(jié)果均與試驗(yàn)結(jié)果吻合。

圖2 不同厚度下的材料流動(dòng)情況[3]

對于焊縫表面的塑性材料流動(dòng)情況，F(xiàn)ourment等人[6]采用FORGE3軟件分析了攪拌摩擦焊過程中飛邊的形成過程。此后，Zhang等人[7]基于計(jì)算固體力學(xué)方法，采用DEFORM-3D軟件研究了焊接過程中飛邊及表面魚鱗狀紋理的形成過程，模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，如圖3所示。研究表明，焊縫兩側(cè)均出現(xiàn)飛邊，且后退側(cè)的飛邊數(shù)量多于前進(jìn)側(cè)；飛邊的微觀結(jié)構(gòu)可分為兩部分，一部分材料晶粒細(xì)小，發(fā)生了再結(jié)晶，另一部分材料與母材相似，無再結(jié)晶過程；焊縫表面材料的塑性變形分布不均勻，前進(jìn)側(cè)材料的塑性變形最大。

圖3 焊縫表面塑性材料的流動(dòng)情況[8]

一些學(xué)者對流場中材料的流動(dòng)速度進(jìn)行了系統(tǒng)研究。Zhang等人[8]基于率相關(guān)的材料本構(gòu)建立了完全熱力耦合仿真模型，研究焊接過程中材料流速的分布規(guī)律，結(jié)果表明焊縫上部材料的流動(dòng)速度大于下部材料，后退側(cè)材料的流動(dòng)速度大于前進(jìn)側(cè)材料。Luo等人[9]建立的多物理場耦合模型分析結(jié)果表明，工藝參數(shù)對材料流速的影響很大。該研究考慮到工件與攪拌工具之間存在滑移，采用參數(shù)δ·Rω/vw來表征工藝參數(shù)對材料流速的影響，如圖4和圖5所示，其中δ為滑移率，Rω為轉(zhuǎn)速，vw為焊接速度?？梢钥闯?，焊核區(qū)的流線以焊核為中心形成漩渦，δ·Rω/vw增大，流場速度增大，漩渦中心由橢圓變?yōu)閳A形；軸肩影響區(qū)的最大速度出現(xiàn)在后退側(cè)，外側(cè)材料的流速大于中心的。此外，通過對比仿真分析與試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，工藝參數(shù)的大小與焊縫表面魚鱗狀紋理的形狀存在一定關(guān)系。而對于異種材料焊接，有研究表明，除轉(zhuǎn)速和焊接速度外，異種材料的位置也影響材料在三維空間的流速分布[10-11]。

圖4 不同工藝參數(shù)下焊核區(qū)的流速跡線[9]

圖5 不同工藝參數(shù)下軸肩影響區(qū)的流速跡線[9]

流場仿真技術(shù)作為材料流動(dòng)可視化的重要方法，有助于深刻理解攪拌摩擦焊的焊縫成形過程，以及洋蔥瓣花紋、飛邊等特征的形成機(jī)理，從而為工藝參數(shù)的優(yōu)化提供依據(jù)。

2 攪拌工具結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

攪拌工具的幾何形貌和尺寸不僅影響焊接過程的熱輸入量，還與焊接過程中攪拌頭附近塑性金屬的流動(dòng)形式有關(guān)。深入研究攪拌工具對材料流動(dòng)的影響規(guī)律有助于優(yōu)化攪拌工具結(jié)構(gòu)。

Kishore等人[12]采用FLUENT軟件建立了二維攪拌摩擦焊仿真模型，研究不同形狀的攪拌針周圍的流場分布，如圖6所示?？梢钥闯?，不合理的攪拌針形狀會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則的流場，容易導(dǎo)致缺陷，但是該模型無法得到材料在厚度方向的流動(dòng)情況。Jain等人[13]研究了攪拌針螺紋對材料三維流場的影響，發(fā)現(xiàn)螺紋的存在可以擴(kuò)大攪拌區(qū)域，提高材料流動(dòng)的速度，并使材料產(chǎn)生厚度方向的流動(dòng)，而沒有螺紋的攪拌針在厚度方向的材料流動(dòng)很弱。姬書得等人[14]揭示了材料流動(dòng)方向與螺紋旋向的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)減小攪拌針錐角及螺紋槽距可以提高焊件內(nèi)部材料的流動(dòng)速度，避免產(chǎn)生根部缺陷。Fadi等人[15]發(fā)現(xiàn)，帶有切面的攪拌針可以提高材料的流動(dòng)速度，有利于減少孔洞缺陷。張利國等人[16]研究表明，軸肩結(jié)構(gòu)對料流動(dòng)趨勢的影響較小，而對材料流動(dòng)速度的影響明顯。改變軸肩結(jié)構(gòu)不僅影響焊件內(nèi)部材料在水平方向的流動(dòng)速度，對材料沿工件厚度方向的流動(dòng)速度也有較大影響。當(dāng)攪拌頭的軸肩端面為同心圓時(shí)，可顯著提高軸肩端面、焊件內(nèi)部以及焊件底部的材料流動(dòng)速度，避免根部缺陷的產(chǎn)生。

圖6 不同的攪拌針形狀產(chǎn)生的流場[12]

焊接學(xué)者們除了研究傳統(tǒng)攪拌工具攪拌針和軸肩等結(jié)構(gòu)特征外，對一些新型攪拌工具的流場仿真分析也逐步開展。雙軸肩攪拌摩擦焊解決了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊對工裝要求高且容易產(chǎn)生背面未焊透等問題，使焊接設(shè)備變得輕便，是空間制造領(lǐng)域的潛在技術(shù)[17]。胡曉晴[18]研究了雙軸肩攪拌摩擦焊在水平方向上的材料流動(dòng)行為，結(jié)果表明前進(jìn)側(cè)材料隨著攪拌頭的旋轉(zhuǎn)前移，沉積在軸肩后方，而后退側(cè)材料最終在前進(jìn)側(cè)后部停留，這與常規(guī)攪拌摩擦焊相似。王非凡[19]基于所建立的熱力耦合模型研究了雙軸肩攪拌摩擦焊三維流場，結(jié)果表明材料在空間的流動(dòng)呈上下對稱的沙漏形狀，與文獻(xiàn)[20]的試驗(yàn)結(jié)果一致，如圖7和圖8所示。由于軸肩的影響，金屬在焊縫上下表面的材料流動(dòng)速度最大，焊縫中部區(qū)域的材料流動(dòng)速度較小，并且在前進(jìn)側(cè)攪拌針后方的工件中心存在流動(dòng)弱區(qū)。

圖7 雙軸肩攪拌摩擦焊三維流場[19]

圖8 雙軸肩攪拌摩擦焊接頭宏觀形貌[20]

此外，傳統(tǒng)攪拌摩擦焊無法發(fā)揮軸肩對于溫度場和流場的有效調(diào)控，差速攪拌摩擦焊應(yīng)運(yùn)而生。石磊等人[21-22]研究了逆向差速攪拌摩擦焊過程中的材料流動(dòng)規(guī)律，如圖9a所示?？梢钥闯觯捎跀嚢栳樅洼o助軸肩轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，在該截面深度下存在兩種不同方向的材料流動(dòng)。在前進(jìn)側(cè)的塑性材料以順時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)，并且在輔助軸肩的作用下從前進(jìn)側(cè)流過，而后退側(cè)的塑性材料則逆時(shí)針流動(dòng)。材料在厚度方向的流動(dòng)情況也不相同，距攪拌針底部越近，軸肩影響越小，材料流動(dòng)速度越小。該研究對比了仿真與試驗(yàn)結(jié)果中熱機(jī)影響區(qū)的形貌，兩者的邊界基本吻合，如圖9b所示。當(dāng)輔助軸肩轉(zhuǎn)速為0時(shí)，即為靜止軸肩攪拌摩擦焊，該焊接方法不會(huì)產(chǎn)生飛邊及魚鱗狀表面，可得到表面光滑的焊縫。文獻(xiàn)[23-24]對靜止軸肩攪拌摩擦焊進(jìn)行了試驗(yàn)研究，對其流場仿真的研究還未見相關(guān)報(bào)道。

現(xiàn)有研究主要側(cè)重于結(jié)構(gòu)特征的有無以及新結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)，還停留在定性分析階段，而對于攪拌工具系列化、參數(shù)化的設(shè)計(jì)鮮有報(bào)道。因此，結(jié)合仿真技術(shù)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，定量化地研究攪拌工具結(jié)構(gòu)將是攪拌工具研究的重要方向。

3 輔助能量影響規(guī)律分析

攪拌摩擦焊輔助能量類型可分為熱能輔助（如激光、電弧感應(yīng)、電流等）和機(jī)械能輔助（如超聲振動(dòng)等），輔助能量的施加可以改善材料的流動(dòng)和產(chǎn)熱[25]。借助仿真技術(shù)有助于深入理解輔助能量的作用機(jī)理，而如何在建模時(shí)準(zhǔn)確地描述和施加輔助能量則是研究輔助能量對攪拌摩擦焊流場影響的關(guān)鍵。

圖9 逆向差速攪拌摩擦焊流場仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比[21]

針對激光輔助攪拌摩擦焊（LAESW），宋新華等人[26]將激光熱源看作熱流密度服從高斯分布的二維面熱源處理，進(jìn)行了Q235鋼的三維流場分析，發(fā)現(xiàn)合適的激光熱源能夠軟化攪拌頭前進(jìn)方向的工件材料而不會(huì)超過材料熔點(diǎn)，有助于提高材料的流動(dòng)速度，減少攪拌針磨損。賀地求等人[27]基于計(jì)算流體力學(xué)和彈塑性力學(xué)理論，采用FLUENT軟件研究了UAFSW的流場特性，并與常規(guī)攪拌摩擦焊方法進(jìn)行對比。該研究將超聲波的作用分解為慣性力對熱輸入的影響和超聲聲壓場對流場的影響，實(shí)現(xiàn)了超聲波與攪拌摩擦焊的結(jié)合。結(jié)果表明，超聲波在塑性或熔融狀態(tài)下的鋁合金中傳播時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲壓差，聲壓差驅(qū)動(dòng)材料流動(dòng)，可提高塑性流動(dòng)區(qū)的峰值流速，擴(kuò)大塑性流動(dòng)區(qū)域，如圖10所示。聲壓大小與鋁合金的溫度相關(guān)，熔融狀態(tài)下，聲壓驅(qū)動(dòng)力最大，對材料流動(dòng)性的提高也更加明顯。

圖10 UAFSW與FSW的流場對比[27]

4 結(jié)論

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，數(shù)值仿真技術(shù)的作用愈加重要，而攪拌摩擦焊流場仿真技術(shù)對于深入了解材料流動(dòng)機(jī)理、優(yōu)化工藝參數(shù)和攪拌工具結(jié)構(gòu)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但是，攪拌摩擦焊接過程非常復(fù)雜，包含傳熱、塑性變形、組織相變等過程。建立準(zhǔn)確的仿真模型，從而推廣到工程應(yīng)用中，既需要深入研究焊接過程中材料屬性、接觸模型以及邊界條件的定義，也需要將仿真分析與試驗(yàn)研究相結(jié)合來驗(yàn)證模型的正確性。流場仿真技術(shù)真正應(yīng)用到工程實(shí)踐將大幅度提高設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率，降低人力、物力和時(shí)間成本。