車身攪拌摩擦焊溫度場仿真分析及實驗驗證

楊明鄂，李治國

（1.中南大學，湖南 長沙410083；2.湖南汽車工程職業學院，湖南 株洲412001）

1 序言

節約資源、減少污染成為汽車工業界亟待解決的兩大問題［1］。汽車每減重10%，油耗可降低6%-80%［2］。高強度鋁合金具有耐蝕性好、密度低、良好的成形性和工藝性能等優點，成為車體制造的理想材料，其焊接質量對車輛運行安全至關重要［3］。目前，鋁合金車體主要采用熔化極惰性氣體保護焊（MIG焊），有時間長、耗能大、污染環境、焊接質量欠佳等缺點［4］。攪拌摩擦焊（Friction stir welding，FSW）是英國焊接研究于1991年發明的一種固相連接技術［5］。與傳統的熔化焊接技術相比，可以有效避免熱裂紋，氣孔等焊接缺陷，具有接頭力學性能較好，變形小、低污染、低能耗等優點［6］，廣泛應用于鋁合金焊接，為車體可靠焊接提供了新的思路。FSW是將旋轉的攪拌頭扎入焊接工件后沿著焊接方向運動，摩擦生熱致使焊接材料達到熱塑性狀態，隨著攪拌頭向前移動時，熱塑性材料往后移動填補上一位置的空腔，在摩擦、擠壓、挖掘、攪拌等作用下，焊接處動態再結晶形成可靠連接［7］。

攪拌摩擦焊（FSW）的焊接頭質量主要受焊接工藝參數和焊后熱處理方式的影響，其中焊接工藝參數的合理選擇尤為重要。目前針對溫度場的研究方法是試錯法和數值模擬兩種：試錯法需要配合熱電偶測量溫度反復試驗，且局限于測量部位，無法全面反映焊接溫度場分布情況［8］。而數值模擬可以少走彎路，具有減少研制經費、降低風險系數、縮短研發周期等優勢。因此，這里通過ANSYS14.5有限元軟件模擬仿真4 mm厚的6082-T6鋁合金材料攪拌摩擦焊接溫度場，以期揭示接頭溫度分布規律，縮小焊接工藝參數選取范圍。

2 創建有限元模型

攪拌摩擦焊屬于三維非穩態傳熱過程，其傳傳導方程如下：

式中：λ-材料熱傳導系數；ρ-材料密度；c-材料比熱容；qi-熱源密度。

2.1 熱源模型

攪拌摩擦焊的熱源主要來自于攪拌頭與焊件摩擦生熱，包括軸肩與焊件、攪拌針側面與焊件、攪拌針底端與焊件［9］。因此，整個焊接過程的熱輸入可以表示為：q=q1+q2+q3。

2.1.1 軸肩的熱源模型

軸肩的熱輸入主要是由攪拌頭高速旋轉引起摩擦生熱，本熱源模型是在滑動摩擦機制下推導而來，如下：

軸肩微元如圖1所示，dA摩擦應力為：

圖1 軸肩微元示意圖Fig.1 Microelement Diagram of The Shoulder

式中：p-軸向壓力（Pa）；r-半徑（mm）；μ-摩擦系數。攪拌頭行走單位距離，軸肩與焊件之間摩擦力做功為：

式中：v-焊接速度；ω-旋轉速度。所以，軸肩熱輸入為：

2.1.2 攪拌針的熱源模型

攪拌針的形狀和生熱原理極其復雜，但是其產生的熱量占焊接總熱量比例較低，再加上攪拌針的形狀對攪拌針產生的熱量影響較小，所以將攪拌針近似看作圓柱形來分析，在不影響分析結果的情況下大大簡化了模型。攪拌針的簡化模型如圖2所示，在柱形攪拌針側面上取一個微元，其受到的摩擦力為：

圖2 攪拌針示意圖側面和底面Fig.2 Schematic Diagram Showing The Pin Side and Pin Bottom

式中：σZ-攪拌針側面受到的應力，攪拌頭旋轉一周，做功為［10］：

所以，攪拌針側面的熱輸入為：

攪拌針底端面熱源模型推導過程和軸肩的熱源模型推導過程類似，所以攪拌針底端面的熱輸入為：

2.2 材料的熱物理性能

本熱源模型不是基于黏著摩擦機制而來，所以假設屈服強度和密度始終保持不變，導熱系數與比熱容隨溫度變化較大，如圖3所示。

圖3 熱物理性能參數Fig.3 Thermal and Physical Properties

2.3 幾何模型和網格劃分

焊件是長、寬分別為120mm、50mm，厚度為5mm的6082-T6鋁合金薄板，攪拌頭軸肩半徑為6mm，攪拌針看作是半徑為2mm的圓柱體。焊接對象為同質同尺寸焊接，因此只取了其中一塊建立模型，選擇solid70（8節點6面體）單元，細分了離焊縫中心線12mm（稍大于軸肩半徑6mm）的區域，如圖4所示。

3 溫度場模擬結果與分析

選取室內溫度20℃、主軸轉速1200 r/min、壓入量1 mm、焊接速度180 mm/min，選擇線性增加加載方式，通過APDL命令流加載求解。

不同時刻下的溫度仿真場結果，如圖5所示，可以看出：溫度最高區域始終集中在攪拌頭的位置附近，離焊縫中心線越遠，溫度越低；高速旋轉的攪拌頭使得焊接方向的金屬材料迅速升溫，溫度梯度較大，焊接的相反方向金屬材料與攪拌頭的距離越來越大，熱傳導和熱對流的影響下降，所以溫度梯度較小；隨著溫度升高，材料的屈服剪切應力降低，導致熱源和溫度產生內在反饋作用，使得整個焊接過程的溫度始終保持在6082-T6鋁合金熔點以下，攪拌摩擦屬于固相焊接過程。

圖5 不同時刻的溫度場Fig.5 Temperature Contours at Different Time

在焊接時間為10s時（此時為預熱階段結束），攪拌頭區域的溫度急速上升，呈現類似于“半圓形”的分布云圖，溫度峰值達到567℃.；隨著攪拌頭沿焊接方向移動（15～30）s，溫度場分布云圖擴大，最高溫度一直保持在541℃至566℃的溫度范圍，雖然時間跨度很長，但是溫差都在25℃以內，說明在（15～30）s這個時間范圍，焊接過程達到穩定狀態，溫度波動較小。當焊接過程結束（35 s），溫度峰值較之前的穩定階段有所增加，達到599℃。造成這個現象的原因主要有兩個：一是與整個焊接過程的熱量積累有關；二是焊接結束時刻攪拌頭接近板材末端導致熱傳導和熱對流對攪拌頭影響較大。

4 試驗驗證

焊接工藝參數和數值模擬參數保持一致，焊后外觀如圖6所示。用PXUT-28超聲波探傷儀并無發現焊接缺陷。焊接過程中用紅外測溫儀測量了距離焊縫中心線8mm、12mm、16mm三個點溫度值，將所測數據儲存到記憶卡。

圖6 焊后外觀Fig.6 Appearance after Welding

三個點的模擬值和檢測值，如圖7所示。溫度場模擬結果呈現基本一致的變化規律，模擬值略高于實測值，主要原因有兩個：一是模擬過程沒有考慮熱對流和熱輻射；二是焊件進入熱塑性狀態以后，摩擦應力由最初的滑動摩擦向黏著摩擦轉變。

圖7 模擬值和檢測值Fig.7 Measured Values and Simulated Values

從圖中可以看到，仿真結果和實測結果吻合較好，說明這里建立的熱源模型可以比較準確的預測焊接過程的實際溫度場，對于6082-T6鋁合金攪拌摩擦焊接工藝參數的選取具有較好的指導作用，有利于減少試驗工作量。

5 結論

這里依據滑動摩擦機制推導得熱源模型進行了溫度場仿真分析，然后根據仿真所采用的工藝參數進行了焊接試驗，并與現場的目標點溫度測試結果進行了對比，得出以下結論：

（1）揭示FSW起始階段（0-10s）升溫明顯，快速達到560℃左右；隨后溫度穩定在540℃至570℃，進入平衡階段（15～30s）；最后焊接過程結束（35 s），溫度峰值較之前的穩定階段有所增加，達到600℃左右。

（2）本FSW生熱模型是基于滑動摩擦機制建立的，溫度場場模擬結果始終處于焊接材料本身熔點以下，生熱功率與焊接溫度之間具有反饋平衡作用，使焊接過程能夠保持固相。

（3）通過現場溫度測試，仿真結果和實測結果吻合較好，能夠有效縮小FSW焊接工藝參數的選取范圍，減少試驗工作量。