攪拌頭幾何參數及傾角對攪拌摩擦焊接質量影響的數值分析

李程錦,王陸釗，劉其鵬，楊鑫華

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028； 2.中車唐山機車車輛有限公司 制造技術中心，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結構與智能制造技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)*

攪拌頭幾何參數及傾角對攪拌摩擦焊接質量影響的數值分析

李程錦1,3,王陸釗2，劉其鵬1,3，楊鑫華1,3

(1.大連交通大學 材料科學與工程學院，遼寧 大連 116028； 2.中車唐山機車車輛有限公司 制造技術中心，河北 唐山 063035； 3.大連市軌道交通裝備焊接結構與智能制造技術重點實驗室，遼寧 大連 116028)*

基于ABAQUS有限元軟件，建立鋁合金攪拌摩擦焊接過程的完全熱力耦合模型，分析了攪拌頭形狀尺寸以及焊接傾角對焊接質量的影響. 結果表明，與無焊接傾角和軸肩凹角的攪拌頭相比，采用2°焊接傾角和80.5°軸肩凹角的攪拌頭焊接時，熱塑性材料流動性更好，焊縫成型質量更好；圓錐形攪拌針焊接質量要好于圓柱形攪拌針；焊接缺陷的產生主要是由于在焊接過程中熱輸入不足，前進側達到熱塑性流動的材料不足造成.

攪拌摩擦焊；攪拌頭；焊接傾角；焊接質量

0 引言

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，FSW)是英國焊接研究所于1991年發明的一項先進的固相焊接技術[1]，與傳統熔化焊相比，FSW焊后變形小、生產率高、易實現自動化等優點[2]. FSW工藝參數對焊接質量影響甚大，選擇不當，會在焊縫表面及內部出現孔洞、未焊合、飛邊和溝槽等焊接缺陷，影響接頭強度、可靠性及使用壽命. 為了弄清楚焊接缺陷產生的原因，很多學者做了大量試驗研究. 劉會杰等[3]對常見的焊接缺陷展開研究，得出孔洞、未焊合、飛邊和溝槽等焊接缺陷的產生主要因為在攪拌頭的作用下，焊縫處金屬經歷了復雜的熱機響應過程，過熱或者塑性流動不足造成. 戴啟雷等[4]研究了焊接速度對接頭根部缺陷的影響，結果表明：當攪拌頭轉速一定時，接頭根部未焊透傾向隨焊接速度的增加而增大. 張昭等人[5]采用數值模擬方法，進一步研究了不同攪拌頭尺寸和攪拌針形狀對攪拌摩擦焊材料變形

和溫度場的影響. 王陸釗等[6]利用全熱力耦合方法，得出焊接過程中鋁合金充分熱塑性流動是形成致密焊縫的必要條件.

基于此前學者的研究成果，本文以熱彈塑性有限元理論為基礎，利用ABAQUS有限元軟件建立固體力學范疇內的攪拌摩擦焊接完全熱力耦合模型，進一步分析不同攪拌頭焊接傾角、軸肩內凹角及攪拌針幾何形狀對6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接質量的影響.

1 模型的建立

1.1 基于ALE的有限元網格建模

攪拌頭采用解析剛體，共計算四種攪拌頭，具體尺寸見表1.軸肩端部帶有1 mm倒角，以避免計算過程中邊緣處產生較大的應力集中而導致網格畸變，焊接過程如圖1所示，采用恒壓下量控制.

焊件幾何尺寸為40 mm×40 mm×3 mm，在焊件上預設有直徑為3 mm的孔洞，用以模擬穩定焊接階段. 利用ABAQUS的MESH模塊對幾何模型進行網格劃分，如圖1所示. 單元類型為八節點六面體、位移-溫度耦合、線性實體減縮積分(C3D8RT)單元，最小單元尺寸為0.18 mm×0.35 mm×0.3 mm，厚度方向劃分十層單元，共劃分22 280個單元，25 322個節點.

表1 攪拌頭尺寸及焊接傾角

圖1 攪拌頭及焊件網格模型示意圖

攪拌摩擦焊接仿真過程中，攪拌頭的旋轉及移動會對焊件網格造成過度扭曲，本文采用ALE自適應網格技術. ABAQUS提供的ALE自適應網格有三種邊界：拉格朗日邊界，滑移邊界和歐拉邊界. 拉格朗日邊界上網格節點即是材料物質點，能夠真實的反映材料的運動情況，但模擬攪拌頭周圍材料的流動情況會造成網格畸變；滑移邊界上，在滑移面的切線方向上，網格節點與材料物質點脫離，材料在網格間任意流動而網格節點保持不動，在滑移面的法線方向上，網格節點跟隨材料物質點運動而運動，能夠真實的反映材料外表面法向的運動情況；歐拉邊界能夠實現歐拉面上網格節點與材料物質點的運動分離，可用于模擬材料流入、流出網格，并且新流入的材料屬性及單元屬性與初始狀態相同.

本文采用滑移邊界和歐拉邊界，如圖1所示，滑移邊界用來模擬攪拌摩擦焊復雜的接觸狀態，歐拉邊界用來等效穩定焊接時攪拌頭的前進焊接.

1.2 材料模型

焊接仿真過程中，材料的熱物理性能等對溫度場及應力場的分布結果有著十分重要的影響.本文針對6082-T6可熱處理強化鋁合金薄板展開研究，并采用與應變率相關的Johnson-Cook本構方程對其材料建模[7].

Johson-Cook材料模型表示為三項的乘積，分別反映了應變硬化，應變率硬化和溫度軟化，其流動應力表達式為：

1.3 穩定極限和質量放大

全熱力耦合模型涉及應力應變場和溫度場間強烈的相互作用，此耦合下的計算量規模過大，為了縮短求解時間需要預先估算增量步的最大時間步長，并據選取適當的質量放大倍數. 本文根據應力波在材料中的傳播速度及特征單元估算穩定極限，定義如下：

式中,Δtstable為力學計算穩定極限；Lmin為網格模型中最小單元長度；Cd為材料的縱波波速；E為材料的彈性模量；ν為材料的泊松比；ρ為材料的密度. 本文質量放大系數為1E6，最小增量步長由10E- 8 s增加到10E- 5 s，計算速度提高1 000倍.

1.4 接觸模型

由于模擬理想的摩擦行為非常困難，本文計算中采用罰接觸算法，接觸的切向行為采用經典的Coulomb摩擦定律描述，法向壓力取決于求解的變量，Schmidt等[8]采用的此種接觸模型，經典Coulomb摩擦定律為：

式中,μ為摩擦系數，本文取0.3；p為攪拌頭與焊件接觸面間壓力(MPa)，在求解過程中取決于計算結果.

1.5 邊界條件

1.5.1 位移邊界條件

如圖1所示，對鋁合金焊件底面施加沿Z軸方向的位移約束用以等效下墊板的法向支撐作用；對焊件平行于焊接方向的兩個側面施加Y軸方向的位移約束，用以等效側面夾具的固定作用；在攪拌頭下壓階段和焊前停留預熱階段，約束流入、流出面X軸方向的位移，在穩定焊接階段，釋放流入、流出面X軸方向的位移約束，并設置焊件的流入面沿X軸負向的流入速度，以等效攪拌頭的前進焊接.

1.5.2 熱邊界條件

在實際攪拌摩擦焊過程中，鋁合金焊件與工裝夾具和周圍環境存在熱交換的問題，將焊件與工裝夾具及空氣間的熱交換等效為對工件設置相應的間隙熱交換系數，其中底面的熱傳導系數為1 000 W/m2K，上表面和側面的熱傳導系數為100 W/m2K，流入材料溫度恒為20℃.

2 模擬結果與討論

2.1 工況(一)模擬結果

采用工況(一)焊接5 s時的溫度場結果如圖2(a)所示. 穩定焊接時，在厚度方向上材料的溫度場分布呈碗形，軸肩內材料溫度較均勻，上表面溫度略高于下表面溫度，溫差約為30℃，說明軸肩產熱量大于攪拌針產熱量；材料的最高溫度位于軸肩根部，為571.6℃，小于熔點582℃，而軸肩范圍以外溫度迅速降至466℃以下(熔點的80%)，說明熱輸入主要來自于軸肩.由圖2(b)焊接5 s時等效塑性應變場可知，軸肩內材料在攪拌頭的作用下發生劇烈的塑性變形，隨著厚度的增加，等效塑性應變逐漸減小，這說明焊縫中上部的成型受軸肩和攪拌針共同作用，焊縫中下部的成型主要取決于攪拌針的攪拌作用，并且隨著板厚的增加而減弱. 由圖2(c)焊接5 s時速度場可知，熱塑性材料的線速度隨軸肩半徑的增加而增加，并且因焊接傾角的存在，使攪拌頭傾斜側材料所受壓力較大，所以線速度的最大值位于軸肩后沿處；在板厚方向上，線速度隨板厚的增加而減小，并且發生熱塑性流動材料的分布與軸肩和攪拌針幾何形狀相一致，結合溫度場結果可知，焊核處的高溫區域是材料熱塑性流動的保證，溫度越高，達到熱塑性材料越多、流動越充分，焊縫內部越不易產生缺陷.

(a) 橫截面溫度場云圖

(b) 橫截面等效塑性應變云圖

(c) 速度場云圖

2.2 其余三種工況模擬結果

采用表1中2～4號工況焊接工藝參數，分別是無焊接傾角、無軸肩凹角及柱形針的模擬結果. 圖3(a)為工況(二)無焊接傾角焊接3.3 s時的等效塑性應變(PEEQ)云圖，在焊件近下表面處產生明顯的焊接缺陷，這是因為當攪拌頭垂直壓入焊接時，軸肩后沿對材料頂鍛壓力減弱使摩擦力減小、熱輸入減少，溫度場如圖3(b)所示，焊核處溫度場分布不均勻，使前進側中下部材料未發生熱塑性流動，速度場如圖3(c)所示，因此造成流動材料不足，在攪拌頭后方留下的空穴未能及時填充而產生焊接缺陷，這與嚴鏗等[9]觀察LF5鋁合金FSW接頭金相得到的結論相符.

(a) 橫截面等效塑性應變云圖

(b) 橫截面溫度場云圖

(c) 速度場云圖

圖4(a)為工況(三)去除軸肩內凹角后焊接2.3 s時PEEQ云圖，在焊件中下部產生焊接缺陷. 相比于帶有軸肩內凹角，當軸肩變為平臺后，對塑性流動材料的聚攏性減弱使軸肩對材料的壓力減小，熱輸入減少，溫度場如圖4(b)所示，進而造成焊核區下表面前進側材料未發生熱塑性流動，速度場如圖4(c)所示，產生焊接缺陷，與張忠科等[10]通過實驗得到軸肩形狀對金屬流動的影響規律相同.

(a) 橫截面等效塑性應變云圖

(b) 橫截面溫度場云圖

(c) 速度場云圖

圖5(a)為工況(四)采用圓柱形攪拌針焊接5 s時等效塑性應變云圖，與比圖2(b)對比可知，由柱形針焊接的焊縫等效塑性應變均勻性要略差于錐形針，并且PPEQ的最大值小于錐形針，這說明錐形針焊縫成型質量更好、焊縫更致密；由溫度場圖5(b)與圖2(a)對比可知，柱形針焊接的溫度場分布與錐形針焊接的溫度場分布相一致且均勻，溫度的最大值為567.9℃，略小于錐形針的571.6℃；由速度場圖5(c)與圖2(c)對比可知，采用柱形針焊接，材料的線速度數值整體上要小于錐形針，結合溫度場對比結果，也可說明材料的熱塑性流動性與溫度密切相關.此外,王希靖等[11]研究報道也說明了攪拌針對焊接質量有重要影響.

(a) 橫截面等效塑性應變云圖

(b) 橫截面溫度場云圖

(c) 速度場云圖

3 結論

本文采用ABAQUS通用有限元分析軟件，對6082-T6鋁合金進行完全熱力耦合仿真分析，得到以下結論：

(1)在沿焊縫的橫截面上溫度場的分布為碗形，內凹型軸肩產熱大于平臺型軸肩，錐形針產熱大于柱形針；

(2)相同工藝條件下，攪拌頭的焊接傾角，使軸肩對攪拌頭后對方材料的頂鍛壓力更大，更有利于金屬的熱塑性流動，焊縫成型更致密，焊接質量更好；

(3)相同工藝條件下，內凹型軸肩對熱塑性材料的聚攏性更好，與金屬的摩擦面積更大，更有利于金屬流動；

(4)相同工藝條件下，錐形攪拌針對金屬的攪拌摩擦效果更好，焊縫的等效塑性應變更均勻，焊接時材料的線速度更大，焊縫成型質量更好；

(5)典型的孔洞、根部未焊合等缺陷易在焊縫前進側、中下部位產生，其原因主要是因為在焊接過程中熱輸入不足，前進側達到熱塑性流動的材料不足，未能及時填補攪拌頭后方的空穴造成.

[1]THOMAS W M,NICHOLAS E D,NEEDHAM J C.Friction Stir Welding:UK，9125978.8[P].1991.

[2]楊鑫華,郭太金,許永輝,等.鋁合金貨車側墻多道焊變形預測[J].大連交通大學學報,2014,35(1):81- 85.

[3]劉會杰,潘慶,孔慶偉,等.攪拌摩擦焊焊接缺陷的研究[J].焊接,2007(2):17- 21．

[4]戴啟雷,王秀義,侯振國,等.焊接速度對AA6082攪拌摩擦焊接頭根部缺陷及性能的影響[J].焊接學報,2015，36(8):27- 30．

[5]張昭,劉會杰.攪拌頭形狀對攪拌摩擦焊材料變形和溫度場的影響[J].焊接學報,2011，32(3):5- 8.

[6]王陸釗,侯振國,陳曉霞,等.鋁合金攪拌摩擦焊完全熱力耦合數值模擬[J].金屬加工(冷加工),2016(S1):690- 692.

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[8]SCHMIDT H,HATTEL J.A local model for the thermomechanical conditions in friction stir welding[J].Modelling & Simulation in Materials Science & Engineering,2005，13(1):77- 93.

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[10]張忠科,王希靖.攪拌頭形狀對攪拌頭受力和溫度的影響[J].蘭州理工大學學報，2010,36(4):17- 20.

[11]王希靖,李晶,達朝炳,等.FSW中攪拌針作用力及其影響的研究[J].蘭州理工大學學報，2006,32(1):11- 14.

Numerical Analysis of Tool Geometric Parameters and Tilted Angle Impact on Quality of FSW

LI Chengjin1,3,WANG Luzhao2,LIU Qipeng1,3,YANG Xinhua1,3

(1.School of Materials Science and Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China; 2.CRRC TANGSHAN Co.,Ltd,Manufacturing Technical Center,Tangshan 063035,China; 3.Dalian Key Laboratory of Welded Structures and IMT of Rail Transportation Equipment,Dalian 116028,China)

A fully coupled thermo-mechanical model of friction stir welding process of aluminum alloy was established by ABAQUS,and the effect of tool shape and size,as well as welding tilted angle on welding quality was studied.The results show that when the welding tilted angle of 2° and the shoulder concave angle of 80.5° are adopted, the welding quality is better than the process without tilted angle and shoulder concave angle. In addition,the conical pin has a larger effect of friction stir on aluminum alloy,and its welding quality is better than using cylindrical pin.The main reasons of welding defects are that the heat input is insufficient in welding process,and the thermoplastic flow of material on the advancing side is shortage.

friction stir welding;tool;welding tilted angle;welding quality

1673- 9590(2017)05- 0070- 05

A

2017- 02- 15

遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(2011220039)

李程錦(1987-)，男，碩士研究生； 楊鑫華(1969-)，男，教授，博士，主要從事焊接結構與智能技術的研究

E-mail:yangxh@djtu.edu.cn.