回填式攪拌摩擦點焊過程溫度場的數(shù)值模擬

柴 鵬，左瑩瑩，陳克鵬，齊鉑金，姬書得

（1.北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院，北京 100191； 2.中國航空制造技術(shù)研究院，北京 100024； 3.沈陽航空航天大學(xué)航空宇航學(xué)院，沈陽 110136）

隨著全球資源短缺和環(huán)境污染等問題的日趨嚴峻，運載工具的輕量化已成為現(xiàn)代制造業(yè)的必然趨勢。一方面可以采用各種輕質(zhì)合金（如鋁合金和鎂合金）來減小運載工具的重量；另一方面可以通過新型高效的制造工藝技術(shù)在提升產(chǎn)品的可靠性的同時，還助力運載工具的輕量化[1]。鋁合金因具有較高的比強度和良好的抗腐蝕性等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車制造等領(lǐng)域中。鋁合金的主要點連接技術(shù)有鉚接、電阻點焊和攪拌摩擦點焊。鉚接技術(shù)存在的主要缺點為工藝復(fù)雜（需要預(yù)開孔）和增加接頭重量等，而電阻點焊的主要缺點則為耗能多、易產(chǎn)生氣孔和焊后較大的殘余應(yīng)力等[2–3]。

攪拌摩擦點焊（Friction Stir Spot Welding，F(xiàn)SSW）是以攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，F(xiàn)SW）為基礎(chǔ)發(fā)展而來的一種新型固相點焊技術(shù)[4]，具有操作簡單、焊點質(zhì)量高、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點，目前已應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，且在航空航天等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，美中不足的是，攪拌摩擦點焊仍會在工件表面留下一個影響焊點表面外觀、降低接頭力學(xué)性能的匙孔。

回填式攪拌摩擦點焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）是德國 GKSS 中心于2003 年發(fā)明的一種新型點焊技術(shù)[5]，該技術(shù)通過控制所用攪拌工具各部件的相對運動可獲得無匙孔的焊點。相比于常規(guī)FSSW，RFSSW 焊接過程所用攪拌工具更為復(fù)雜，其由不旋轉(zhuǎn)的壓緊環(huán)、旋轉(zhuǎn)的套筒和攪拌針組成[6]，焊接過程可以分為摩擦、下扎、回填與撤離4 個階段：在摩擦階段，壓緊環(huán)固定于上板表面，套筒和攪拌針與試板旋轉(zhuǎn)摩擦，使材料軟化；在下扎階段，套筒和攪拌針分別向下和向上運動，塑性化材料在套筒的推動作用下流入攪拌針向上運動形成的空腔；在回填階段，達到預(yù)期扎入深度后，套筒和攪拌針同時改變運動方向，塑性化材料在攪拌針作用下擠回空腔；在撤離階段，攪拌頭撤離，完成焊接[7]。

與FSW 相對比，RFSSW 過程溫度場的研究較少，蘇志強等[8]利用DEFORM 軟件建立數(shù)值模型，模擬了RFSSW 的焊接過程，得到了焊點不同位置的溫度循環(huán)曲線。王希靖等[9]利用ANSYS 軟件，模擬了RFSSW 焊接過程中的溫度場，得出最高溫度位于套筒端面中心，但并未研究焊接參數(shù)影響溫度場的規(guī)律。

本文利用有限元分析軟件MSC.Marc 建立7075–T6 鋁合金RFSSW過程的有限元模型，利用單元死活技術(shù)對焊接過程的溫度場進行了模擬，研究不同焊接參數(shù)下點焊過程溫度場的分布狀態(tài)和變化規(guī)律，為優(yōu)化焊接工藝提供技術(shù)支持。單元死活技術(shù)就是在有限元模型中添加與下扎階段結(jié)束時流入套筒內(nèi)部（空腔）材料相同體積的單元，假設(shè)這部分單元在計算前是不激活的，即處于“死”的狀態(tài)。在下扎過程中，由下至上依次將空腔中“殺死”的單元“激活”，與此同時由上至下“殺死”套筒移動路徑上的單元。在回填過程中，由上至下依次將空腔中“激活”的單元“殺死”，與此同時由下至上“激活”套筒移動路徑上的單元。

有限元模型的建立

1 有限元網(wǎng)格劃分

本模型中的7075–T6 鋁合金的尺寸為150mm×50mm×2mm，搭接方式如圖1 所示。焊接過程中組成攪拌工具的攪拌針直徑6.36mm、套筒外徑9mm、壓緊環(huán)外徑18mm，采用MSC.Marc 有限元分析軟件進行有限元模擬，網(wǎng)格單元類型為SOLID43。為了保證計算的準確性并盡可能減少計算量，采用了非均勻網(wǎng)格劃分，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。試板共計23488 個單元，26954 個節(jié)點，網(wǎng)格劃分情況如圖2 所示。其中，生死單元為5040 個，節(jié)點為6414 個。

2 材料參數(shù)與工藝參數(shù)

7075–T6 鋁合金的熱物理性能受溫度影響較大，因此在模擬過程中必須考慮溫度變化對材料屬性的影響。7075–T6 鋁合金的密度為2810kg/m3，其他熱物理性能如表1所示[10]。

本文研究了摩擦階段的時間對于焊板溫度場演變規(guī)律的影響，轉(zhuǎn)速為1800r/min。在下扎與回填階段所用工藝參數(shù)如表2 所示，其中轉(zhuǎn)速取值為1000r/min、1200r/min、1400r/min、1600r/min、1800r/min 與2000r/min。羅凌云[11]通過試驗發(fā)現(xiàn)RFSSW 的下扎與回填階段的焊接壓力變化不大，因此本文將焊接壓力P設(shè)為定值。

3 散熱邊界條件

本文中將模型的初始溫度設(shè)為20℃，模型暴露在空氣中的上表面和側(cè)面，會與空氣進行對流換熱，將此對流換熱系數(shù)均設(shè)置為30W/（m2·℃）。有限元模型上表面與攪拌工具接觸的區(qū)域，以及下表面與墊板接觸的區(qū)域，換熱作用均遠強于空氣對流，將散熱系數(shù)設(shè)置為200W/（m2·℃）[12]。

圖1 搭接方式示意圖（mm）Fig.1 Schematic of lap joint configuration

圖2 有限元網(wǎng)格劃分Fig.2 Mesh generation of finite element model

表1 7075–T6鋁合金熱物理性能Table 1 Thermophysical properties of 7075–T6 Al alloy

4 熱源模型

根據(jù)RFSSW 焊接過程的特點，其焊接熱輸入主要來源于3 個部分：套筒內(nèi)、外側(cè)面及端面與焊件間的摩擦產(chǎn)熱；攪拌針端面與焊件間的摩擦熱；金屬的塑性變形熱。RFSSW 由FSW演變而來，其塑性變形產(chǎn)熱僅占總焊接熱輸入的一小部分，因此計算過程中通常忽略材料塑性變形產(chǎn)熱[13]。

套筒端面產(chǎn)熱的實際有效區(qū)域為套筒外徑R1與套筒內(nèi)徑R2之間的圓環(huán)，假設(shè)焊接壓力均勻地施加于套筒，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[14–16]

式中，f 為套筒端面上的摩擦力；F 為套筒端面上的壓力；μ 為摩擦系數(shù)，取0.3。微圓環(huán)上套筒旋轉(zhuǎn)作用力矩為：

套筒旋轉(zhuǎn)扭矩為：面上的均勻軸向力；H 為套筒下扎深度；攪拌針半徑為R2，設(shè)攪拌針承受的均勻壓力為Pp，則攪拌針旋轉(zhuǎn)扭矩為[14–16]：

產(chǎn)熱功率為：

在本研究中，攪拌針與套筒在焊接過程中提供的熱輸入通過Flux 子程序進行施加。同時，在模擬過程中，為了使結(jié)果更加準確，使用生死單元法模擬焊點區(qū)域金屬在下扎與回填階段的運動過程，單元殺死和激活通過Uactive 子程序?qū)崿F(xiàn)。

結(jié)果與討論

套筒端面產(chǎn)熱功率為：

本文將RFSSW 過程分為預(yù)熱階段和焊接階段。預(yù)熱階段即前文所述的摩擦階段；焊接階段分為加熱階段以及撤離階段，而焊接加熱階段則包括下扎與回填階段。下面以預(yù)熱階段以及焊接加熱階段為對象進行溫度場演變規(guī)律的分析。

1 預(yù)熱階段的溫度場

為了驗證有限元模型的正確性，首先對預(yù)熱階段（摩擦階段）的溫度場進行了數(shù)值模擬及試驗測量，結(jié)果如圖3 所示。其中，測溫試驗數(shù)據(jù)通過K 型熱電偶測量獲取，測量點位于壓緊環(huán)外側(cè)1mm 處，如圖3（a）中h2點所示。由圖3（a）可知，預(yù)熱階段的高溫區(qū)主要位于試板與套筒及攪拌針的接觸區(qū)，且套筒邊緣（h1點）經(jīng)歷的溫度較套筒內(nèi)部低；隨到攪拌工具旋轉(zhuǎn)軸距離的增加，材料的溫度逐漸降低。同時，在預(yù)熱階段，試板表面的溫度隨摩擦?xí)r間的增加呈現(xiàn)先快速后緩慢上升的規(guī)律，在8s時溫度基本達到穩(wěn)態(tài)，如圖3（b）所示。h2點的實測溫度值和模擬溫度值在預(yù)熱階段各時間點上僅有較小的差異，在8s 時，兩者的溫度值分別為227.1℃和232.5℃，誤差<5%，這表明本文建立的有限元模型是合理的。

圖3 預(yù)熱階段的溫度場及溫度演變規(guī)律Fig.3 Temperature field and temperature evolutions at pre-heating stage

套筒內(nèi)側(cè)面產(chǎn)熱功率為：

套筒外側(cè)面產(chǎn)熱功率為：

式中，ω 為攪拌頭轉(zhuǎn)速；Ps為套筒端

表2 焊接工藝參數(shù)Table 2 Welding process parameters

對于RFSSW 工藝來說，攪拌工具的磨損甚至折斷難以避免，其原因主要在于攪拌工具在下扎階段的阻力過大，焊前預(yù)熱可提升焊件內(nèi)部的材料溫度如圖3（a）所示，使材料的變形抗力降低，利于降低攪拌工具在下扎階段的阻力。然而，過大的焊前預(yù)熱時間會降低焊接效率。因此，本文以與套筒邊緣接觸的h1點為對象，研究預(yù)熱階段的溫度與時間的關(guān)系，進而確定較優(yōu)的預(yù)熱時間。對于金屬材料，材料的變形抗力隨溫度的升高而降低，而材料具有超塑性特征的溫度是本文優(yōu)選預(yù)熱時間的依據(jù)。金屬材料超塑性所需的變形溫度一般在熔點熱力學(xué)溫度的一半以上，且7075–T6 鋁合金的熔點范圍為475～635℃，本文選取的溫度為300℃，由圖3（b）可知，h1點達到300℃的時間為3.1s。

2 焊接加熱階段的溫度場

為了方便計算，取摩擦階段時間為3s 并進行RFSSW 過程焊接階段的溫度場分析，不同時刻焊點的溫度分布如圖4 所示。通過分析可知，整個焊接過程中，高溫區(qū)域主要分布在試板上與攪拌針及套筒相接觸的區(qū)域。由于套筒的直徑大于攪拌針直徑，單位面積熱輸入更高，因此在相同轉(zhuǎn)速的情況下，溫度最大值出現(xiàn)在與套筒接觸的區(qū)域。下扎階段結(jié)束時（t=5.5s），整板的溫度分布要高于回填階段結(jié)束時（t=8s）；在下扎階段結(jié)束時（t=5.5s），溫度最大值位于焊點內(nèi)部，如圖4（f）所示；在回填階段（t=8s）結(jié)束時，溫度最大值位于焊點表面，如圖4（g）所示。對比圖4（a）～（c）可知，隨著焊接過程的進行，高溫區(qū)域逐漸擴大，形成明顯的溫度梯度。值得注意的是，在整個焊接過程中，最高溫度一直位于套筒端面的中心附近，此結(jié)果有以下兩個原因：一是在相同轉(zhuǎn)速下，套筒端面的線速度相對較大，可產(chǎn)生較大的摩擦熱；二是與套筒端面的中心處相比，套筒外側(cè)雖可產(chǎn)生較多的熱量，但會有更多的熱傳導(dǎo)，從而引起溫度降低。

圖4 不同時刻下焊點的溫度分布Fig.4 Temperature fields at different welding time

為了詳細分析溫度分布規(guī)律，沿焊板厚度方向取5 個焊點區(qū)以外的點（圖5（a））進行研究，圖5（b）是各點的溫度循環(huán)曲線。通過分析可知，焊點外側(cè)各點的溫度演變過程相同，均為先升高再降低的趨勢，由于試板的厚度較小，各點在相同時間下的溫度相差不大；隨到焊點上表面距離的增加，點的溫度最大值呈現(xiàn)小幅度下降的趨勢。沿板厚方向各點達到溫度最大值的時間相同，均為套筒下扎階段結(jié)束（t=5.5s）后的1s。這是因為在下扎過程中，焊點區(qū)域提供的熱輸入不斷提高，摩擦熱導(dǎo)致的熱輸入大于散熱導(dǎo)致的熱損失；在回填過程中，熱輸入隨著攪拌工具與待焊材料接觸面積的減少而逐漸減少，當回填階段進行到1s 時產(chǎn)熱與散熱平衡，溫度達到最大值。

為了進一步分析不同區(qū)域在焊接階段的溫度演變規(guī)律，取平行焊點上表面的各點（圖6（a））進行分析，圖6（b）為各點的溫度循壞曲線。其中，各點到焊點上表面的距離為套筒的最大扎入深度值2.5mm。由于圖6（a）中各點的溫度主要依賴于焊點區(qū)熱輸入的熱傳導(dǎo)，因此溫度達到最大值的時間隨著焊點區(qū)距離的增加而延長。由圖4（a）可知，焊點區(qū)為高溫區(qū)，而遠離焊點區(qū)的溫度接近室溫，因此在焊點周圍形成明顯的溫度梯度，這也使得圖6（a）中特征點的溫度最大值隨著焊點區(qū)距離的增加而減小。另外，離焊點區(qū)越近點的降溫速率越大，最后趨于板上的各點溫度基本相同，進而開始緩慢的降溫過程。

為了分析轉(zhuǎn)速對高溫區(qū)域溫度的影響規(guī)律，取焊點下表面中心點（圖5（a）中點P6）的溫度最大值為對象進行分析，如圖7 所示，通過分析可知，隨著攪拌工具轉(zhuǎn)速的增加，在單位時間內(nèi)作用在焊材上的熱輸入增加，導(dǎo)致該點的溫度最大值呈上升趨勢。另外，隨著轉(zhuǎn)速的增加，轉(zhuǎn)速對溫度最大值的影響作用減弱，使溫度最大值上升幅度減小。

圖5 焊點厚度方向上各點的溫度循環(huán)曲線Fig.5 Temperature history plots of researched points along thickness direction of welding spot

圖6 水平方向上各點的溫度循環(huán)曲線Fig.6 Temperature history plots of researched points along parallel direction of welding spot

圖7 不同轉(zhuǎn)速下特征點溫度最大值的變化曲線Fig.7 Relation between maximum temperature of researched point and rotating speed

結(jié)論

采用以數(shù)值模擬為主、試驗驗證為輔的方法對RFSSW 過程的溫度場進行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）在摩擦預(yù)熱階段，焊點區(qū)的溫度峰值隨摩擦?xí)r間的增加呈現(xiàn)先快速后緩慢增加的規(guī)律，最后趨于穩(wěn)定；在焊接的加熱階段，高溫區(qū)隨焊接時間的增加而逐漸擴大，但最高溫度始終位于套筒端面中心。在RFSSW 過程中，溫度最大值出現(xiàn)在回填階段進行到1s 時。

（2） 隨轉(zhuǎn)速的增加，RFSSW 過程的溫度最大值上升；與高轉(zhuǎn)速相比，在低轉(zhuǎn)速下溫度最大值的上升幅度較大。