攪拌摩擦焊溫度場分析

王杰 林名潤 閆大鵬 周瓊

摘 要：通過分析攪拌摩擦焊焊接原理，建立攪拌摩擦焊焊接過程數學模型，運用Full Newton-Raphson方法，編制攪拌摩擦焊焊接過程控制程序，對攪拌摩擦焊移動熱源焊接的溫度場進行模擬，得到的分析結果能夠較為準確揭示攪拌摩擦焊焊接過程規律，為確定焊接工藝參數提供參考。

關鍵詞：攪拌摩擦焊；溫度場；數值模擬

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.221

1 引言

攪拌摩擦焊[1]（Friction Stir Welding，簡稱FSW）是一種新型的固態焊接工藝技術，與傳統的焊接方法相比，它不但能夠得到優良的焊接性能，而且能夠焊接一些傳統方法難以焊接的材料，隨著該技術的不斷發展，其應用范圍不斷擴大，已在航空、航天、船舶、汽車等領域得到廣泛應用。

2 熱源數學模型

根據已有的研究成果[2]，通常認為FSW的熱源主要來自于攪拌針端面和攪拌頭軸肩與工件摩擦面熱源以及攪拌針側面與工件摩擦體熱源等幾種形式[3]。在數值模擬中，忽略次要因素，根據庫倫摩擦理論建立如下的攪拌摩擦熱源的數學模型。

2.1 面熱源

攪拌針剛開始與工件接觸摩擦時，其頂鍛力作用在攪拌針端面上。在攪拌針端面取出微元，則其受到的摩擦力為：

（1）

攪拌針旋轉一周摩擦力對微元所做的功為：

（2）

對上式進行二重積分，得到摩擦力對攪拌針端面所做的功為：

（3）

則攪拌針端面摩擦生熱的功率是：

（4）

同理可得，攪拌針軸肩處摩擦生熱功率是：

（5）

其中是摩擦系數，是頂鍛力，攪拌針根部半徑，是軸肩處半徑，是旋轉角速度。

2.2 體熱源

當攪拌針周圍的工件溫度達到橫向焊接的條件時，攪拌頭便會橫向移動，在此過程中產生的熱量主要是攪拌針克服材料的剪切應力所產生的摩擦力生熱。為分析方便并不失一般性，假設攪拌針的形狀是圓柱體，與攪拌針熱源分析類似，在攪拌針側面上取一個微元，則微元受到的摩擦力為：

（6）

當攪拌針旋轉一周，側面產生的摩擦力所做的功為：

（7）

因此攪拌針與焊接面的摩擦力做功為：

（8）

其中是焊接速度。

3 數值模擬邊界條件

邊界條件指導熱物體邊界面上與外部環境之間在熱交換方面的聯系或相互作用，在模擬FSW的焊接過程中，邊界條件主要有如下的幾類[4]：

除去焊合面，工件余下的三個面全部裸露在空氣中，該部分滿足對流邊界條件；工件上表面除去與軸肩接觸的那部分作為熱源外，其它作為對流的邊界；對于焊合面，在焊接過程中是變化的，在焊接過程中，未焊合部分的溫度都很低，有少量的熱量損失，所以把焊合面簡化為絕熱面。

4 加載程序

在ANSYS軟件中，編寫APDL[5]程序實現攪拌摩擦焊熱源移動焊接的溫度場的模擬。在程序中建立一個隨熱源一起移動的柱狀坐標系模擬攪拌頭狀態，采用階躍式加載方法，運用Full Newton-Raphson方法，每進行一次平衡迭代就修正一次剛度矩陣。整個模擬過程中分為兩個階段，第一個階段是攪拌針的預熱過程。第二個階段是攪拌頭沿著工件的長度方向移動焊接。

在本次模擬中，采用比較常用的2A14鋁材料，工件長度240，寬度100，高度60，焊接速度30。

5 模擬結果

定義好以上參數之后進行求解，在分析結果中提取四個時刻的溫度場分布云圖。

前30的時間是攪拌針插入工件的過程，從圖中可以此時的溫度最大值與后續時刻相差不多，且其溫度場分布較為規則，類似圓形。預熱之后其攪拌針的運動狀態是旋轉加橫向移動，隨著攪拌針向前推進，其溫度場云圖如圖2中的（b）、（c）、（d）。

隨著焊接過程的進行，工件中溫度場分布是向前逐漸擴大，其最高溫度區域是隨著攪拌頭的移動而移動，攪拌頭與工件發生摩擦的區域溫度遠高于其他區域。

在工件方向上分別取不同的特性點，利用ANSYS時間后處理器，得到不同點處的溫度變化曲線圖。

工件的是攪拌頭的移動方向，不同點處的溫度時間歷程曲線大體相同，說明除了初始預熱階段外，其后續的焊接過程基本上是“穩態歷程”。是工件的寬度方向，從圖中可以看出越靠近焊接區域位置其溫度越高，當達到最大溫度的時候，其溫度下降速度較慢，距離焊接區域較遠處尤為明顯。是工件的厚度方向，從圖中可以看出在其上表面的溫度較高，主要是因為工件的表面存在攪拌軸肩的面摩擦，產生的熱量較多的原因造成。

6 結論

本文利用ANSYS中的APDL求解器對FSW的焊接過程進行了數值模擬，得到不同時間歷程下的溫度場云圖和不同點的溫度變化曲線圖，分析的結果能夠大體符合實際的焊接狀況，為攪拌摩擦焊的進一步的研究和焊接過程工藝參數確定提供參考。

參考文獻：

[1]G.Buffa.Design of the friction stir welding tool using thecontinuum based FEM model.Materials[J].Science and Engineering A，2005.

[2]王建華等.攪拌摩擦焊接的傳熱和力學計算模型[J].焊接學報，2000，21（04）：61-63.

[3]王大勇，馮吉才，王攀峰.攪拌摩擦焊接熱輸入數值模型[J].焊接學報，2005，26（03）：25-28，32.

[4]王衛兵，董春林等.鋁合金攪拌摩擦焊接熱力學耦合數值模擬[J].航空制造技術，2009（16）.

[5]ANSYS，Inc.Theory Reference.[Z].

作者簡介：王杰（1985-），男，安徽宿州人，碩士，主要從事戰術武器地面作戰裝備技術研究。