回填式攪拌摩擦點焊工具的溫度與扭矩變化規(guī)律研究

摘 要：基于DEFORM-3D軟件，建立了異種材料回填式攪拌摩擦點焊過程的熱機耦合模型，對焊具開展了旋轉(zhuǎn)速度、下扎速度及深度溫度、扭矩分析，得到了軸肩與攪拌針在焊接過程的溫度、扭矩的演化規(guī)律。通過對比6種典型工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)速的升高、下扎速度的降低與下扎深度的增加均會導(dǎo)致焊具的溫度升高。下扎速度對焊具峰值扭矩的影響較小，轉(zhuǎn)速的降低與下扎深度的增加會導(dǎo)致焊具扭矩的增大。

關(guān)鍵詞：回填式攪拌摩擦點焊；焊具；溫度；扭矩

回填式攪拌摩擦點焊（Refill Friction Stir Spot Welding，RFSSW）技術(shù)是德國GKSS中心于2002年發(fā)明的一種新的點焊技術(shù)，其焊具由軸肩、攪拌針和壓緊環(huán)三部分組成[1]，通過軸肩和攪拌針的相互配合實現(xiàn)下扎與回填，可消除常規(guī)攪拌摩擦點焊（Friction stir spot welding， FSSW）中普遍存在的匙孔缺陷，增大接頭的有效承載面積，提高接頭的靜載強度[2-4]。

在焊接過程中，軸肩和攪拌針通過與被焊板材的強烈摩擦來產(chǎn)生熱量，因此在工作中容易發(fā)生磨損，軸肩和攪拌針的間隙易于被熱塑性材料填充而粘連甚至卡死[5]。嚴重的磨損不僅會加快焊具的報廢，增加使用成本，還會導(dǎo)致接頭力學(xué)性能下降，影響使用性能。焊具的磨損跟被焊材料的強度以及各工藝下的工況（溫度、受力）緊密相關(guān)。當(dāng)前，對于RFSSW 的研究主要集中在焊接設(shè)備開發(fā)、焊接過程和成形機理研究、焊縫組織與力學(xué)性能分析、異種材料連接這幾個方面，對于焊具工況的研究較少。Brigham Larsen等人[6]使用集成的傳感器和稱重傳感器從焊接機采集焊接過程中的載荷和扭矩數(shù)據(jù)，表明扭矩的分析對焊具的受力情況有很好的體現(xiàn)作用。

因此，針對回填式攪拌摩擦點焊焊具的溫度與扭矩開展研究，對延長焊具的使用壽命具有非常重要的意義。本文基于DEFORM-3D軟件，利用數(shù)值模擬的方法，對2系和7系鋁合金異種材料搭接進行RFSSW焊接仿真，來研究各工藝下軸肩與攪拌針的溫度、扭矩變化規(guī)律。

熱機耦合模型

1.幾何模型與網(wǎng)格劃分

回填式攪拌摩擦點焊幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示，軸肩尺寸內(nèi)徑為6mm、外徑為9mm、高8mm，攪拌針直徑6mm、高10mm，壓緊套內(nèi)徑9mm、外徑18mm、高4mm，墊臺直徑10mm，高4mm。2B06鋁合金板（上）和7B04鋁合金板（下）尺寸分別為50×50×1mm、50×50×1.5mm。

對焊具與板材選用合適的單元尺寸進行四面體網(wǎng)格劃分，如圖2所示。為了保證計算精度，對板材的焊點區(qū)域進行了網(wǎng)格加密，其余部分網(wǎng)格則稀疏。模擬過程中，采用網(wǎng)格重劃分技術(shù)以解決網(wǎng)格畸變問題，當(dāng)焊接工具與工件的網(wǎng)格相互滲透距離達到網(wǎng)格邊長的0.7倍時，判定網(wǎng)格重新劃分開啟。

2.材料屬性與物理模型

將被焊板材視為剛-塑性材料，焊具則設(shè)為剛體。在數(shù)值模擬中，常用Johnson-Cook本構(gòu)模型、Arrhenius 雙曲正弦關(guān)系式來定義塑形體在變形中流變應(yīng)力與溫度、應(yīng)力和應(yīng)變率的函數(shù)關(guān)系，兩模型在DEORRM-3D軟件中均有內(nèi)置。上板2B06鋁合金采用JC本構(gòu)模型，下板7B04鋁合金采用Arrhenius關(guān)系，具體參數(shù)均可從文獻[7， 8]中調(diào)研得到。焊具材料為 H13 熱作模具鋼，直接選用數(shù)據(jù)庫中收錄的H13鋼的材料屬性。

3.邊界條件與接觸設(shè)置

工件和焊具及空氣發(fā)生對流換熱，對流換熱系數(shù)設(shè)定成0.02N/s mm℃，工件與焊具及墊臺之間的熱傳導(dǎo)設(shè)置成11N/s mm℃。環(huán)境和工件初始溫度設(shè)置為

20 ℃。焊具與被焊板材之間設(shè)置成不可分離；摩擦類型為剪切摩擦，定值0.3；壓緊環(huán)和墊臺之間的夾持作用使得搭接時兩板不會發(fā)生偏移，為了貼近實際情況，這里把壓緊套、墊臺與兩板之間的剪切摩擦系數(shù)調(diào)整為5，上下板之間的摩擦也調(diào)整為1。

表1為改變工藝參數(shù)后，控制單一變量的模擬參數(shù)清單。其中，編號1、2、3對比分析轉(zhuǎn)速的影響；編號2、4對比分析下扎速度的影響；編號2、5、6對比分析下扎深度的影響。

結(jié)果及討論

1.數(shù)值模型驗證

在典型焊接參數(shù)轉(zhuǎn)速w=900r/min、下扎深度d=1.2mm、下扎速度v1=1.5mm/s及回填速度v2=1mm/s下，焊接時刻t=0.8s及t=2s下焊點成形的模擬結(jié)果如圖3所示。0.8s時下扎階段結(jié)束，上下板皆發(fā)生一定的上凸，上下板界面呈“π”狀，界面處貼緊能形成很好的冶金結(jié)合；2s回填結(jié)束，焊點表面成型良好，焊接過程中并未出現(xiàn)充填不滿及環(huán)溝槽等問題，焊后表面平整，上下板界面處呈“碗”狀。與蘇志強等人[9]文章中呈現(xiàn)的RFSSW實際成形過程做對比，良好吻合，因此，所建立的仿真模型可有效模擬RFSSW過程。

2.焊具溫度場及熱循環(huán)分析

為了精確直觀地呈現(xiàn)攪拌頭參數(shù)的變化，利用點追蹤法對焊具多個位置進行獲取，如圖4所示。熱循環(huán)曲線如圖5所示。結(jié)合圖6、圖7軸肩與攪拌頭的溫度云圖，可以得到焊具的溫度演變規(guī)律。

在軸肩下扎、攪拌針上抬的過程中，軸肩下表面和外表面作為產(chǎn)熱面與塑性材料逐漸接觸充分，軸肩下端（圖4a點P1、P2、P3、P4、P5處）的溫度曲線迅速上升，如圖6（t=0.8s）所示，兩個產(chǎn)熱面交界處（圖4a點P3處）擁有最大的線速度且為摩擦的最前沿而成為最高溫區(qū)；由于攪拌針的側(cè)表面不會與熱塑性材料發(fā)生接觸，所以在整個焊接過程中產(chǎn)熱面總是在下表面（見圖7），且攪拌針最高溫區(qū)（圖4b點P2處）在下表面中心（圖4b點P1處）與下表面最外側(cè)（圖4b點P3處）之間，這是由于熱塑性材料并未填充滿軸肩與攪拌針形成的空腔，使得線速度最大的下表面最外側(cè)并未與熱塑性材料充分接觸的緣故，攪拌針溫度遠低于軸肩（相差約200℃），說明此階段軸肩與熱塑性材料的接觸力遠大于攪拌針，為主要摩擦產(chǎn)熱源。

在軸肩回抽、攪拌針下扎的過程中，軸肩外表面與熱塑性材料的接觸面積逐漸減小，軸肩下端（圖4a點P1、P2、P3、P4、P5處）的溫度曲線逐漸達到平穩(wěn)，說明此時軸肩與被焊板材之間的熱傳導(dǎo)達到了動態(tài)平衡，至回填結(jié)束，只剩下下表面與熱塑性材料相接觸，此時整個下表面成為了軸肩的高溫區(qū)（圖6t=2s），軸肩上端（點P6、P7、P8、P9、P10處）由于遠離熱源，隨著熱的傳導(dǎo)而始終未到達最高溫度；與軸肩不同，攪拌針熱循環(huán)曲線一直遞增，不會在此階段達到平穩(wěn)，說明攪拌針的下扎增大了與熱塑性材料的壓力從而增大了摩擦產(chǎn)熱。

將6種工藝下軸肩最高溫處（圖4a點P3）與攪拌針最高溫處（圖4b點P2）的溫度數(shù)據(jù)進行整理對比分析。隨著轉(zhuǎn)速的升高，焊具的峰值溫度明顯增大，如圖8所示。軸肩的峰值溫度：1800r/min的584℃＞1500r/min的548℃＞900r/min的471℃。攪拌針的峰值溫度：1800r/min的357℃＞1500r/min的324℃＞900r/min的271℃。

編號2工藝的下扎速度為1.5mm/s，在0.8s時下扎結(jié)束，下扎深度1.2mm，總用時2s。編號4工藝的下扎速度為1mm/s，在1.2s時下扎結(jié)束，下扎深度1.2mm，總用時2.4s。如圖9a所示，由于下扎速度的降低，編號4的總焊接時間變長，使得焊具與熱塑性材料的摩擦接觸時間更久，導(dǎo)致軸肩與攪拌針的峰值溫度升高。編號4工藝的軸肩和攪拌針在1.2s時的溫度均高于編號2工藝的軸肩和攪拌針在0.8s時的溫度，說明相同的行程（或下扎深度），下扎速度小的焊具溫度要高于下扎速度大的。軸肩的峰值溫度：1mm/s的586℃>1.5mm/s的548℃；攪拌針的峰值溫度：1mm/s的357℃>1.5mm/s的324℃。

編號2、5、6的工藝下扎深度分別為1.2mm、1mm和1.4mm，分別在0.8s、0.67s和0.93s下扎到最深處，如圖9b所示。隨著下扎深度的增加，有更多的熱塑性材料與焊具接觸，使得摩擦產(chǎn)熱增加，進而使得焊具的峰值溫度升高。軸肩的峰值溫度：1.5mm的627℃>1.2mm的548℃>1mm的490℃；攪拌針的峰值溫度：1.5mm的414℃>1.2mm的324℃>1mm的313℃。

綜上，轉(zhuǎn)速的升高、下扎速度的降低與下扎深度的增加會導(dǎo)致焊具的溫度升高。編號3（轉(zhuǎn)速1800r/min、下扎速度1.5mm/s）與編號5（轉(zhuǎn)速1500r/min、下扎速度1mm/s）的兩種工藝參數(shù)下的軸肩與攪拌針的峰值溫度分別為584℃與357℃、586℃與357℃，幾乎相等，說明在焊接時可通過多參數(shù)的調(diào)節(jié)來得到相同的焊接溫度，以達到相似的焊接效果。并且可以通過嘗試、改變參數(shù)來優(yōu)中選優(yōu)，以求達到兼顧板材焊接性能良好與焊具壽命長久的目的。

3.焊具扭矩分析

不同轉(zhuǎn)速、下扎速度與下扎深度下焊具扭矩隨時間變化曲線如圖10所示。在軸肩下扎、攪拌針上抬的過程中，軸肩的扭矩逐漸增大，在下扎結(jié)束時達到峰值；攪拌針扭矩遠小于軸肩，在焊接初期迅速增大，而后隨著攪拌針下表面處的熱塑性材料逐漸升溫軟化而下降趨于平穩(wěn)。在軸肩回抽、攪拌針下扎的過程中，軸肩的扭矩逐漸減?。粩嚢栳樀呐ぞ匦》仍黾?，呼應(yīng)下扎導(dǎo)致的壓力增大。

如圖10a所示，由于不同轉(zhuǎn)速下被焊板材的高溫軟化程度不同，轉(zhuǎn)速為900r/min的軸肩的峰值扭矩遠大于1500r/min和1800r/min的，1500r/min的稍大于1800r/min。攪拌針也保持900r/min>1500r/min>1800r/min的規(guī)律。如圖10b所示，下扎速度的改變除了延長了焊接時間，幾乎不影響焊具的扭矩，兩工藝下軸肩扭矩均在下扎結(jié)束時刻達到峰值且相等。如圖10c所示，隨著下扎深度的增加，軸肩和攪拌針的峰值扭矩均發(fā)生增大。扭矩隨時間變化的曲線下覆蓋的面積更大，表明攪拌頭需要在更大的力下保持更長的時間，這必然對攪拌頭在更高溫度和更大受力下工作提出了更高的性能要求。

綜上，下扎速度對焊具峰值扭矩的影響較小，轉(zhuǎn)速的降低與下扎深度的增加會導(dǎo)致焊具扭矩的增大。在滿足板材焊接性能的條件下，可考慮提高轉(zhuǎn)速、降低下扎深度來減小焊具在工作中的受力與磨損。

結(jié)語

1）通過DEORM-3D軟件建立的異種材料回填式攪拌摩擦點焊熱機耦合模型對焊點成型的仿真效果良好。下扎階段結(jié)束時，上下板界面呈“π”狀，界面處貼合緊密；回填結(jié)束時，焊后表面平整，上下板界面處呈“碗”狀。

2）在軸肩下扎、攪拌針上抬的過程中，軸肩下表面與外表面作為產(chǎn)熱面，兩面交界處擁有最大的線速度而成為最高溫區(qū)，扭矩持續(xù)升高；攪拌針溫度遠低于軸肩，最高溫區(qū)位于下表面中心與外側(cè)之間，扭矩在初始階段上升迅速，而后逐漸下降保持平穩(wěn)。在軸肩回抽、攪拌針下扎的過程中，軸肩溫度保持平穩(wěn)，扭矩逐漸下降；攪拌針溫度持續(xù)升高，扭矩小幅度增加。

3）轉(zhuǎn)速的升高、下扎速度的降低與下扎深度的增加會導(dǎo)致焊具的溫度升高。下扎速度對焊具峰值扭矩的影響較小，轉(zhuǎn)速的降低與下扎深度的增加會導(dǎo)致焊具扭矩的增大。

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