薄板鋁合金攪拌摩擦焊接全過程金屬流動行為研究

（沈陽航空航天大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110136）

0 前言

攪拌摩擦焊接（FSW）作為一種新型的固態焊接技術廣泛應用于航空航天、軌道交通等領域[1-2]。近年來，FSW過程實驗及理論分析表明焊縫金屬流動行為是焊接接頭質量的重要影響因素。為獲得優質的FSW接頭質量，需要深入理解FSW過程中的材料流動行為。由于FSW過程的不可見性，數值模擬成為研究FSW過程材料塑性流動行為的重要方法。其中基于固體力學理論（CSM）建立的FSW模型可以獲得焊接過程歷史、焊后殘余變形等信息，一直是該領域的研究熱點。Xu等人[3]基于固體力學理論首次建立了FSW過程有限元模型，并結合實驗研究預測了攪拌針周圍材料流動行為。Deng和Xu[4]開發了FSW過程二維CSM模型，模擬結果表明，攪拌針前方材料經過后退側流入攪拌針后方。Xu和Deng[5]利用建立的FSW過程二維及三維CSM模型，分析焊接過程速度場及等效塑性應變云圖，并結合實驗觀察討論焊接表面組織特點。Schmidt和Hattel[6]建立FSW過程熱力耦合模型，通過計算得出穩態焊接過程的速度場及應變場，以此表征材料流動變形行為。Zhang等人[7]結合任意拉格朗日-歐拉（ALE）技術建立了FSW過程CSM熱力耦合模型，利用質點跟蹤技術分析攪拌針周圍材料流動行為。早期CSM有限元模型為了避免焊接過程中網格嚴重畸變，采用在焊件預制孔洞的方式來模擬穩態焊接過程，忽略了攪拌針旋轉下壓階段。而該階段的塑性變形及產熱對穩態焊接過程的材料流動行為及組織變化有重要影響。Hamilton等人[8]建立FSW全過程CSM有限元模型，獲得各階段溫度及等效塑性應變分布云圖。崔俊華等人[9]建立了類似的FSW全過程熱力耦合模型，研究焊件截面等效塑性應變分布特點。但目前對焊接過程金屬材料流動行為特征及流變機理分析仍不透徹。本研究基于固體力學理論建立FSW全過程熱力耦合模型，利用質點跟蹤技術來模擬研究焊接中材料流動行為。

1 模型描述

1.1 物理模型

為解決FSW過程中因材料劇烈變形導致的網格畸變問題，運用ALE自適應網格技術將旋轉下壓階段與穩定焊接階段作為拉格朗日與歐拉問題來處理。ALE集合了拉格朗日和歐拉方法的優越性，且允許材料能夠獨立于網格運動。幾何模型及邊界條件如圖1所示，攪拌針旋轉速度400 r/min，焊接速度3 mm/s，即穩定焊接階段材料由入口邊界（in flow）以3 mm/s速度流入，由出口邊界（out flow）流出。利用質點跟蹤技術分析FSW過程中的金屬流動行為，為研究不同位置材料流動特點，設置了13組集合，圖1標記了跟蹤集合點（tracer set）初始位置，集合1為攪拌針前方焊縫中心不同厚度的質點，集合 2、3、4與集合 5、6、7分別位于攪拌針前方前進側（AS）與后退側（RS），集合 8、9、10 與集合11、12、13分別位于攪拌針軸肩下方前進側與后退側。每個節點釋放50個子節點。

1.2 材料模型

焊接材料為3 mm厚的6061鋁合金薄板，采用Johnson-Cook本構模型來描述FSW過程高應變速率下材料高溫變形的熱力學行為，如式（1）所示。

圖1 幾何模型及邊界條件Fig.1 Schematic of geometric model and boundary conditions

式中 εep、εe為等效塑性應變及等效塑性應變率；ε0為參考應變率（1.0/s）；Tr、Tm為熔點及室溫；A、B、n、C和m為材料常數，如表1所示[9]。其他熱物理性能隨溫度變化如表2所示[8]。

表1 6061鋁合金Johnson-Cook模型的材料常數Table 1 Material constants in Johnson-Cook model for 6061 Al alloy

表2 6061鋁合金材料性能參數Table 2 Temperature dependent material properties of 6061 Al alloy used in model

1.3 摩擦模型

FSW過程中，熱量來源于攪拌針與焊接構件的摩擦產熱以及焊件本身的塑性變形產熱，其中摩擦能耗為

式中 τ為摩擦剪應力；γ為滑移率。

采用經典庫倫摩擦定律描述接觸界面行為

式中 μ為摩擦系數；p為接觸壓力。為簡化模型，本研究設定摩擦系數為0.3。

1.4 模型的可靠性驗證

試驗結果的對比是模型可靠性驗證的主要手段。焊件進入穩定焊接階段后的溫度分布云圖如圖2所示。局部最高溫度為504℃，低于材料熔點。軸肩下方材料區域的溫度約為460℃。Tang等人對6061鋁合金的FSW過程進行試驗研究，相同過程參數下焊接構件上軸肩溫度為450℃，與本研究的模擬結果十分接近，由此可以驗證本研究數值模型的正確性。

圖2 穩定焊接階段溫度分布Fig.2 Temperature distribution during the steady welding stage

2 結果和分析

集合1在攪拌針旋轉插入后釋放子節點軌跡縱截面示意如圖3所示。在攪拌針插入初始階段，由于攪拌針的摩擦擠壓作用，跟蹤質點有向上流動趨勢；當軸肩接觸到板材后，受軸肩擠壓，金屬質點有向下遷移趨勢；金屬材料接觸到攪拌針附近后，在攪拌針的摩擦擠壓作用下有向下運動趨勢。

圖3 旋轉插入階段子節點空間分布Fig.3 Spatial distribution of birth particles in plunging phase

進入焊接階段集合1表層位置一質點釋放子節點在不同時刻的空間分布如圖4所示。

由圖4可知，焊接進入穩定階段后，金屬質點繞攪拌針做旋轉運動，并有向下螺旋運動趨勢，部分金屬質點聚集在攪拌針底部，在繞攪拌針旋轉數周后，向下流動的金屬在離心力作用下從攪拌針底部流出，使得攪拌區不斷擴大，并向攪拌針后方運動，主要分布在攪拌針后方前進側。由圖4f可知，焊合位置發生在工件前進側。這解釋了缺陷傾向于在前進側產生的實驗現象。Morisada[11]等人利用微小的球形鎢顆粒作為示蹤劑，采用X射線實時成像系統觀察FSW過程三維流動行為，結果發現鎢顆粒繞攪拌針旋轉數周后沉積在攪拌針后方。本研究材料流動行為的模擬結果與實驗觀察相似，證明了模型的可靠性。此外，Lorraina等人[12]利用銅箔作為示蹤材料研究了FSW過程的材料流動行為，結果同樣表明上層金屬材料在繞流數周后沉積在前進側，與圖4所示模擬結果吻合。

圖4 焊接階段子節點不同時刻空間分布Fig.4 Spatial distribution of birth particles at differenr time in steady welding phase

焊接穩定階段攪拌針軸肩前方集合1不同厚度4個位置釋放子節點在不同時刻分布示意如圖5所示。由圖5可知，板材上層金屬在軸肩旋轉摩擦作用下有向下螺旋運動趨勢，板材中部的金屬材料在流入塑性流動區域后，在攪拌針的作用下有明顯的螺旋向上遷移，接觸到軸肩附近后在軸肩的作用下轉而向下螺旋遷移。攪拌針底部附近材料受攪拌針影響較弱，僅有很薄一層塑性流動層，金屬材料繞攪拌針旋轉半周后便向攪拌針后方遷移。無明顯厚度方向上的遷移。因此，距離焊接表面越遠，焊合難度越大，產生未焊合缺陷的傾向越大。

圖5 厚度方向不同時刻子節點空間分布Fig.5 Spatial distribution of birth particles at differenr time in the thickness direction

焊接穩定階段攪拌針軸肩下方集合8、9、10與集合11、12、13釋放子節點水平方向分布示意如圖6所示。由圖6可知，攪拌針兩側軸肩下方的材料及軸肩邊緣附近的金屬材料都出現不同程度的繞流運動。距離攪拌針中心越遠，旋轉繞流作用越不明顯，這是由于攪拌頭的摩擦攪拌作用減小，導致塑性流動性較差。攪拌針前方及AS材料受攪拌頭摩擦和擠壓作用主要以旋轉繞流和平移形式遷移，而RS未出現劇烈的旋轉遷移，只有較少材料做旋轉繞流遷移。主要原因是RS金屬的遷移方向與攪拌頭旋轉剪切方向相同，相對AS，金屬材料受到的摩擦剪切作用更小，從而導致RS金屬材料的塑性流動性較差，塑性變形較小。

3 結論

（1）鋁合金薄板FSW過程中，攪拌區前方及AS金屬質點的流動方式主要為以攪拌針為中心做旋轉繞流運動；而RS及攪拌區外圍，金屬材料主要以層流的形式向攪拌頭后方遷移。繞流后金屬主要沉積在AS。

圖6 水平方向子節點空間分布Fig.6 Spatial distribution of birth particles in the horizontal direction

（2）通過研究不同厚度層金屬質點流動行為發現，上層金屬在軸肩作用下有向下螺旋運動趨勢，中部金屬在攪拌針作用下先向上做螺旋運動而后向下做螺旋運動，在靠近焊件底部，金屬材料則主要以層流的形式遷移至攪拌頭后方。

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