回填式攪拌摩擦點焊接頭界面遷移及hook缺陷演變研究

李 可，李冬梅，宋奎晶，鐘志宏，朱 帥，李 洋

(合肥工業(yè)大學 材料科學與工程學院，安徽 合肥 230009)

鎂資源在地球上儲量十分豐富，在地殼中的含量高達2.7%，在工業(yè)金屬中僅次于Al與Fe位居第三位，同時，海水中也蘊含著大量的鎂元素。鎂合金具有良好的力學性能，散熱性好，消震性好，彈性模量大，比強度高，能承受較大的沖擊載荷，具有良好的耐腐蝕能力[1-3]。回填式攪拌摩擦點焊(RFSSW)是由德國亥姆霍茲學會發(fā)明的專利焊接技術，是由傳統(tǒng)的攪拌摩擦焊技術發(fā)展而來，其消除了傳統(tǒng)攪拌摩擦焊在焊后形成的匙孔，顯著提高了焊接接頭強度。

對于攪拌摩擦焊的數(shù)值模擬，已經(jīng)有許多學者做了很多開拓性的工作。姬書得等人[4]利用流體力學軟件Fluent模擬了回填式攪拌摩擦點焊過程的材料流動行為，結果表明，材料的流動速度隨著到套筒內(nèi)外壁距離的增加而減小，流速的最大值出現(xiàn)在套筒外壁處，但采用Fluent的流固耦合模擬往往對攪拌頭和工件的接觸作用進行了簡化，不能描述實際的產(chǎn)熱機制及界面的遷移演變。杜巖峰等人[5]采用Deform-3D軟件對2219鋁合金攪拌摩擦焊過程進行模擬，結果發(fā)現(xiàn)，攪拌摩擦焊焊縫溫度場分布呈現(xiàn)上密下疏、前密后疏的狀態(tài)。G.Buffa[6,7]等人用Deform-3D軟件對攪拌摩擦焊過程進行模擬，發(fā)現(xiàn)溫度主要由攪拌針旋轉速度決定，后退側溫度一般高于前進側，焊合區(qū)材料流動是非對稱的。后退側臨近攪拌針的材料沿著攪拌針進行環(huán)向流動，其最終是否留在前進側取決于焊接速度與攪拌針旋轉速度的比值。哈工大趙運強等[8]采用Deform-3D軟件ALE算法模擬7B04鋁合金回填式攪拌摩擦點焊過程，得到了焊縫成形良好的模型，溫度場分布及熱循環(huán)與實驗結果比較符合，但其只是主要分析了溫度場熱循環(huán)。為了計算方便，幾何建模時將上下兩個相同材料的板簡化為一塊板進行模擬，無法獲得上下兩塊工件的界面遷移與hook缺陷等。Campanelli等人[9]通過對AZ31鎂合金攪拌摩擦點焊搭接的研究，提出了焊點斷裂失效的3種模式，第一種是沿著搭接界面從焊點中間斷裂(TW)；第二種是從焊核剝離斷裂(CPO)，以該種方式斷裂的焊點性能較好，是比較理想的接頭；第三種是混合斷裂(NCPO)；其還定義了hook缺陷的高度(height)為未冶金結合區(qū)最高點到分界面的高度。

綜上，本文建立溫度場、應力和大變形場耦合的RFSSW模型，分析材料流動行為及變形行為，獲得焊接過程中的溫度場、流動場等分布特點，闡明RFSSW連接機理，揭示接頭界面的遷移與hook缺陷演變規(guī)律。

1 熱機耦合模型

1.1 幾何模型

幾何模型的實體造型用UG進行，網(wǎng)格劃分在deform-3D中進行。被焊工件為20mm×20mm×1mm的AZ31鎂合金，攪拌針、攪拌套、壓緊環(huán)及背部墊板均采用H-13工具鋼。攪拌針尺寸為30mm×Φ5.15mm，攪拌套內(nèi)徑5.15mm，外徑8.89mm，高25mm。壓緊環(huán)內(nèi)徑8.89mm，外徑18mm，高20mm。背部墊板為20mm×Φ18mm圓柱體。為了提高計算精度及加快運算速率，僅對工具與工件接觸緊密區(qū)域進行網(wǎng)格細化，工件四面體網(wǎng)格邊長為0.5mm，被劃分為71296個網(wǎng)格(圖1)。

1.2 材料模型

1.3 接觸條件、摩擦條件和界面換熱

工件與焊具之間采用non-separable(非分離)式。剪切摩擦模型表達式為，f=mτ；式中，f為剪切摩擦力；m為摩擦因子；τ為剪切屈服應力。庫倫摩擦力與作用在接觸面上的正壓力成正比，庫倫摩擦模型較適用于低載荷條件，在塑性成形中，正壓力一般大于制件材料的屈服應力，因此采用庫侖摩擦模型求得的摩擦應力往往偏高，將大于制件剪切屈服應力，這使庫侖摩擦模型的應用存在較大局限性[10]。剪切摩擦模型認為摩擦力不隨正壓力的變化而變化，僅與剪切屈服應力成正比，當m=0，τ=0，即無摩擦狀態(tài)；當m=1，τ=τmax，摩擦應力達到最大值，即粘著摩擦狀態(tài)，僅取決于制件材料的特性，適用于高應力載荷下的變形過程。本文選取剪切摩擦模型，摩擦因子為固定值0.4。工件和焊具及空氣發(fā)生對流換熱，設定對流換熱系數(shù)hc=0.02N/(s·mm ℃)，工件與焊接工作臺(墊板)之間的熱交換系數(shù)設定為11 N/(s·mm ℃)，機械能轉化為熱能的比例系數(shù)選取軟件默認的0.9[6]。

2 結果與討論

1.2 溫度場與熱循環(huán)

模擬中設定焊接工藝參數(shù)為，扎入階段旋轉速度為1500r/min，攪拌套下扎速度為1mm/s，攪拌針上升速度為2mm/s；回填階段轉速為1500r/min，攪拌套回撤速度為1mm/s，攪拌針回填速度為2mm/s。圖2所示為不同時刻焊點成型及溫度場分布情況。

(a)t=0.2s；(b)t=0.4s；(c)t=0.6s；(d)t=0.8s；(e)t=1s；(f)t=1.2s；(g)t=1.4s；(h)t=1.6s；(i)t=1.8s；(j)t=2s圖2 不同時刻焊點成型及溫度場分布Fig. 2 Solder joint forming and temperature field distribution at different time

由圖2可以看出，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。焊點溫度分布總體上呈現(xiàn)中心高、兩邊低、頂部高、底部低的特點，這是因為在焊接過程中頂部與中心的材料與攪拌工具更為接近，所以溫度更高[11]。溫度并不是完全以焊點中心呈對稱分布，是因為點焊過程不是個穩(wěn)態(tài)溫度場的過程，溫度時刻在變化。在扎入過程的初始階段，由于摩擦產(chǎn)熱，工件溫度迅速上升，回填式攪拌摩擦點焊的扎入過程不僅僅起到預熱作用，在整個焊接過程中的產(chǎn)熱占據(jù)很大比重[12]。在扎入階段，材料已經(jīng)達到或者接近達到峰值溫度。在焊縫中心截面上選取數(shù)個特征點進行點追蹤(圖3)，發(fā)現(xiàn)X=2mm，Z=1mm處峰值溫度最高且到達峰值溫度所用時間最短，升溫速率為439.8℃/s。隨著與焊縫中心距離的增加，特征點所能達到的峰值溫度和升溫速率都顯著降低(圖4)。

圖3 焊接熱循環(huán)所取特征點位置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of characteristic points for welding thermal cycle

圖4 特征點焊接熱循環(huán)Fig. 4 Welding thermal cycle of characteristic point

2.2 界面遷移與hook缺陷演變

為了驗證模型在研究整個焊接過程中界面遷移演變和hook缺陷方面的可靠性，對焊點最終成型的界面位置和hook形貌與試驗進行對比。

圖5所示分別為RFSSW焊點最終成型時刻界面所處位置與形態(tài)試驗及模擬結果，由圖可發(fā)現(xiàn)，最終成型時刻界面與初始界面位置接近，試驗與模擬結果有較高吻合度，因此可以使用此模型進行RFSSW過程中界面遷移演變的研究。

由圖6和圖7可以清楚得看到焊接過程中界面遷移情況以及hook缺陷的演變過程，扎入階段在焊點處，由于攪拌套下扎，攪拌套下方的雙板分界面向下方遷移，而攪拌針下方的雙板分界面隨著材料向攪拌針與攪拌套形成的空腔內(nèi)流動，界面向上遷移。在回填階段，由于攪拌套的回抽與攪拌針的回填，界面遷移的運動趨勢與扎入階段方向相反。在扎入過程中并沒有形成hook缺陷，hook缺陷是在回填階段形成，在回填階段，由于攪拌套的回抽及攪拌針的回填，攪拌套下方材料要向上流動，下板材料流入上板中，并與上板材料混合，大部分材料發(fā)生冶金結合，少部分材料未發(fā)生或不完全發(fā)生冶金結合，形成了hook缺陷。本文以焊點中心分界面的數(shù)值雙板初始分界面的差值定義為分界面的遷移高度(簡稱遷移高度)，以及hook缺陷的頂點與雙板初始分界面的差值定義為hook缺陷的高度(簡稱hook高度)。

由圖8可知，扎入階段，遷移高度隨時間增加而增加且遷移高度增長的速率也逐漸增高，即遷移高度增長得越來越快，這是因為材料在高溫下屈服強度較低，低溫下屈服強度較高，扎入初始階段，材料溫度較低，屈服強度較高，塑性及流動性較差，界面遷移速度相對較低，隨著焊接過程進行，材料溫度升高，屈服強度降低，塑性流動性提高，界面遷移速率升高。回填階段，遷移速率近乎恒定，遷移高度隨時間增加而降低，焊接過程完成時，遷移高度相較于初始界面位置略微升高。在回填階段，hook缺陷的高度隨時間增加而增加，初始階段hook高度為負值是由于hook形成在初始界面以下，總體上hook缺陷高度增長速率逐漸減小，在焊接完成時達到最大值(圖9)。

圖5 焊點最終成型時刻界面所處位置及形態(tài)模擬結果與試驗對比[13]Fig. 5 Comparisons between experiment and simulation results of the position and shape of the interface at the final moment[13]

圖6 界面遷移高度與hook缺陷高度示意圖Fig. 6 Schematic diagram of height of interface migration and hook defect

(a)t=0.4s；(b)t=0.6s；(c)t=0.8s；(d)t=1s；(e)t=1.2s；(f)t=1.4s；(g)t=1.6s；(h)t=1.8s；(i)t=2s圖7 界面遷移演變Fig. 7 Interface migration and evolution

圖8 界面遷移高度隨時間變化曲線Fig. 8 Curves of interface migration height with time

圖9 hook高度隨時間變化曲線Fig. 9 Curves of hook height with time

3 結論

在現(xiàn)有研究的基礎上可以得到以下結論：(1)運用Deform-3D軟件得到了較為可靠的回填式攪拌摩擦點焊數(shù)值模型。(2)回填式攪拌摩擦點焊的溫度場為非穩(wěn)態(tài)溫度場，溫度分布以焊點為中心呈現(xiàn)中間高兩邊低、頂部高底部低的特點。最高溫度在焊點正中心與攪拌套外圈之間的過渡區(qū)域。(3)雙板分界面的遷移在扎入階段和回填階段不同，扎入階段遷移高度逐漸升高，且遷移高度增長的速率也逐漸增高，即遷移高度增長得越來越快。回填階段遷移高度逐漸降低，速率總體上比較穩(wěn)定。(4)在攪拌摩擦點焊中，hook缺陷在回填階段形成，hook高度隨時間累積逐漸升高，hook高度增長越來越慢，在回填過程即將結束時達到最大值。