LA141鎂鋰合金攪拌摩擦焊接過程溫度場(chǎng)模擬

宋文杰，賀 帥，沈奇江，吳宗育

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 陜西 西安 710021；2.復(fù)旦大學(xué) 材料科學(xué)系, 上海 200438；3.豪邁集團(tuán)股份有限公司, 山東 濰坊 261500)

0 引言

鎂鋰合金的密度小，阻尼大，屏蔽電磁干擾能力強(qiáng)，而且成型性好，易于回收利用.這些優(yōu)點(diǎn)使得鎂鋰合金在航空航天、船舶制造、軌道交通、汽車制造等行業(yè)有廣闊的應(yīng)用前景[1,2].然而，鎂鋰合金的焊接性能較差.普通的熔化焊接方式容易出現(xiàn)裂紋、過燒、氣孔、晶粒粗大等缺陷[3,4].攪拌摩擦焊接是英國(guó)焊接研究所在1991年發(fā)明的一種新型固態(tài)焊接方法[5].攪拌摩擦焊接可以有效避免有色金屬材料普通熔化焊的缺陷，對(duì)于鎂鋰合金的焊接有著其它焊接方法無可比擬的優(yōu)勢(shì).

攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)的研究方法有：實(shí)驗(yàn)法和數(shù)值模擬法.由于實(shí)驗(yàn)法研究周期長(zhǎng)、研究結(jié)果不夠直觀，所以溫度場(chǎng)研究大多采用數(shù)值模擬的方法[6,7].目前，溫度場(chǎng)數(shù)值模擬模型有移動(dòng)熱源模型和熱力耦合模型.夏韋美[8]建立了6061鋁合金攪拌摩擦溫度場(chǎng)的熱力耦合模型，研究了焊接接頭的溫度場(chǎng)分布規(guī)律及微觀組織性能.王杰等[9]利用ANSYS軟件建立2A14鋁合金的移動(dòng)熱源模型，得到了不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布圖和不同點(diǎn)的溫度變化曲線.熱力耦合模型比較接近焊接過程的實(shí)際情況，但是隨著焊接過程邊界條件變化，需要根據(jù)情況及時(shí)更改邊界條件，不利于研究整個(gè)溫度場(chǎng)的焊接過程.移動(dòng)熱源模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于研究整個(gè)焊接過程的溫度場(chǎng)分布規(guī)律.

本次研究攪拌摩擦焊接過程的溫度分布規(guī)律采用數(shù)值模擬的方法，利用ANSYS有限元軟件模擬溫度場(chǎng)變化情況.目前，對(duì)鎂鋰合金的攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)研究較少，研究?jī)?nèi)容多為組織與力學(xué)性能的分析.通過對(duì)攪拌摩擦焊接過程的溫度場(chǎng)研究，對(duì)調(diào)整焊接工藝參數(shù)、控制焊接質(zhì)量及提高接頭力學(xué)性能具有重要的指導(dǎo)意義[10].

1 有限元模型的建立

1.1 熱源數(shù)學(xué)模型

本文分別考慮攪拌頭軸肩產(chǎn)熱和攪拌針產(chǎn)熱，并建立了軸肩產(chǎn)熱模型和攪拌針產(chǎn)熱模型.

1.1.1 軸肩產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型

攪拌頭各部分尺寸如圖1所示.軸肩半徑R1(m)，攪拌針半徑R2(m)，焊接過程中施加的壓力為F(N)，攪拌針轉(zhuǎn)速記為N(r/min).

圖1 攪拌頭尺寸示意圖

在R1和R2之間，取寬度為dr的微圓環(huán)，假設(shè)摩擦系數(shù)為μ，則微圓環(huán)的摩擦力為：

(1)

微圓環(huán)摩擦力產(chǎn)生的力矩：

(2)

微圓環(huán)的產(chǎn)熱功率：

(3)

軸肩產(chǎn)熱功率：

(4)

軸肩的熱流密度：

(5)

1.1.2 攪拌針產(chǎn)熱數(shù)學(xué)模型

由軸肩產(chǎn)熱功率計(jì)算方法，同理可得攪拌針的底面產(chǎn)熱功率為：

(6)

圖2為圓柱攪拌針示意圖，攪拌針的長(zhǎng)度為H(m).

圖2 圓柱攪拌針示意圖

攪拌針側(cè)面產(chǎn)熱功率：

(7)

攪拌針的熱流密度：

(8)

1.2 有限元建立模型的過程

1.2.1 幾何尺寸

本次攪拌摩擦焊接模擬的材料為L(zhǎng)A141(Mg-14Li-1Al，wt.%)鎂鋰合金板材，幾何尺寸為160 mm×100 mm×2 mm，焊接形式為對(duì)焊.由于在焊接過程中，熱源沿焊接方向左右對(duì)稱分布，只選取模型的一半進(jìn)行模擬分析[11].焊板的幾何模型如圖3所示.

圖3 焊板的幾何模型

1.2.2 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件提供的單元類型很多，在溫度場(chǎng)研究中常選用具有三維熱傳導(dǎo)能力的SOLID70單元進(jìn)行模擬[12].網(wǎng)格劃分時(shí)，采用非均勻網(wǎng)格劃方法.在攪拌針和軸肩作用區(qū)域附近采用較密的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離焊縫處采用較粗的網(wǎng)格劃分.這樣既保證了焊縫的模擬精度也節(jié)約了計(jì)算時(shí)間.圖4是焊板的網(wǎng)格劃分情況.

圖4 網(wǎng)格劃分情況

1.2.3 定義熱物性參數(shù)

在模擬過程中，假設(shè)LA141鎂鋰合金的密度、泊松比、彈性模量不隨溫度變化，而熱導(dǎo)率、比熱容、屈服強(qiáng)度隨溫度變化.材料熱物性參數(shù)隨溫度的變化情況見表1.

表1 LA141鎂鋰合金熱物性參數(shù)[13-15]

1.2.4 邊界條件與初始條件

圖5為焊件的邊界條件示意圖.建立有限元模型過程中做了如下假設(shè)[16-18]：

圖5 焊板的邊界條件示意圖

模擬過程中，忽略焊接工裝夾具以及攪拌頭夾持部分在焊接過程的導(dǎo)熱作用.a、c、d和b分別是焊板的三個(gè)側(cè)面和焊板上表面.這四個(gè)面只考慮與空氣的對(duì)流換熱，取焊板與空氣的對(duì)流換熱系數(shù)為30 W/(m2·℃)[19].e是焊板與墊板接觸的面，模擬時(shí)取對(duì)流傳導(dǎo)系數(shù)150 W/(m2·℃)[20].f為兩焊板的對(duì)接面.焊接過程中對(duì)接面對(duì)稱分布，溫度相同，認(rèn)為對(duì)接面之間不發(fā)生熱傳遞.h和g分別是與軸肩和攪拌針接觸面.攪拌針熱量傳遞方式為體熱源傳遞，軸肩熱量傳遞方式為面熱源傳遞.

1.2.5 模擬參數(shù)

攪拌頭軸肩半徑為6.5 mm，攪拌針半徑2 mm，攪拌針的高度為1.5 mm.焊板的尺寸為160 mm×100 mm×2 mm，模擬時(shí)焊接轉(zhuǎn)速為800 r/min，焊接速度為200 mm/min，軸向壓力為3500 N.焊接起始位置為沿焊縫并距離焊板一側(cè)面16 mm處，焊接結(jié)束位置為沿焊縫并距離焊板另一側(cè)面24 mm處.

2 模擬結(jié)果分析

2.1 溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果分析

2.1.1 焊板寬度方向

在攪拌摩擦焊的焊縫的中間位置處，在焊板寬度方向，依次取距離焊縫0、5 mm、10 mm、15 mm和20 mm處的五個(gè)點(diǎn).五個(gè)點(diǎn)在轉(zhuǎn)速800 r/min和焊接速度200 mm/min條件下的熱循環(huán)曲線如圖6所示.由圖可知，隨著距焊縫距離的增大，其峰值溫度逐漸降低，其峰值溫度對(duì)應(yīng)的時(shí)間基本一致.這五個(gè)點(diǎn)峰值溫度的不同也反映其受熱源影響的大小.距焊縫近的點(diǎn)受熱源影響大，距焊縫遠(yuǎn)的點(diǎn)受熱源影響較小.由于這五個(gè)點(diǎn)之間的距離較近，達(dá)到峰值溫度的時(shí)間基本一致.

圖6 焊接寬度方向離焊縫中心不同距離的五個(gè)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線

2.1.2 焊板厚度方向

圖7為焊縫處沿焊接方向縱截面上的溫度場(chǎng)分布云圖.由圖可知，焊縫處的最高溫度出現(xiàn)在焊縫的上表面與軸肩接觸處.高溫區(qū)呈現(xiàn)為上大下小的碗狀，該區(qū)域?yàn)檩S肩和攪拌針的主要摩擦產(chǎn)熱區(qū)域，且軸肩的產(chǎn)熱作用大于攪拌針.由上表面到下表面，溫度隨著距離增大變化較小，從而出現(xiàn)碗狀高溫區(qū).上下表面的溫度差為16.29 ℃，它們之間差值較小.造成這種情況的原因有兩個(gè)，一是焊板的厚度小，熱量從高溫的軸肩區(qū)域傳導(dǎo)到低溫的下表面區(qū)域距離短.二是模擬采用的焊接材料與墊板之間熱傳導(dǎo)系數(shù)較小，這與實(shí)際焊接材料與墊板之間的傳熱情況比較符合.

圖7 34 s時(shí)沿焊縫縱截面的溫度場(chǎng)分布云圖

2.1.3 沿焊縫方向

攪拌針完全扎入焊板的時(shí)間為10 s，預(yù)熱停留6 s.圖8是不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布云圖.圖8(a)為攪拌針插入焊板準(zhǔn)備開始焊接的溫度場(chǎng)分布云圖，其溫度峰值為331.98 ℃.材料達(dá)到可以進(jìn)行穩(wěn)態(tài)焊接溫度后，攪拌頭沿著焊縫移動(dòng)，此過程的峰值溫度會(huì)趨于一個(gè)穩(wěn)定值.在圖8(b)、(c)中，穩(wěn)定焊接階段30 s和45 s時(shí)的峰值溫度分別為375.5 ℃、377 ℃，二者并無明顯的溫度差.在52 s后，攪拌針拔出焊縫，焊板開始冷卻.圖8(d)、(e)為冷卻過程中溫度場(chǎng)分布云圖，64 s時(shí)峰值溫度下降到77 ℃.

圖8 轉(zhuǎn)速800 r/min和焊速200 mm/min下焊接不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布云圖

通過分析焊接過程中不同時(shí)間段的溫度場(chǎng)分布云圖，可以看出攪拌頭的前方溫度梯度大于攪拌頭的后方.這是由于攪拌頭的前方焊板溫度低，熱傳遞方向與焊接方向一致，存在“多普勒效應(yīng)”，攪拌頭的后方經(jīng)過焊接后存在熱量積累.

2.2 焊接參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)影響

2.2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)影響

由公式(4)、(6)、(7)可以看出，轉(zhuǎn)速N與產(chǎn)熱功率呈正比關(guān)系.攪拌頭的轉(zhuǎn)速越高其產(chǎn)熱率越高.取焊接速度恒為600 mm/min，轉(zhuǎn)速分別為800 r/min、1 200 r/min、1 600 r/min.從整體上看，改變攪拌頭的轉(zhuǎn)速對(duì)溫度場(chǎng)影響較大，進(jìn)而影響焊縫的焊接質(zhì)量.表2反映了攪拌摩擦焊的轉(zhuǎn)速與其對(duì)應(yīng)模擬結(jié)果的峰值溫度關(guān)系.

表2 轉(zhuǎn)速與峰值溫度表

2.2.2 焊速對(duì)溫度場(chǎng)影響

在其他邊界條件不變的情況下，僅改變焊接的速度，采用焊接轉(zhuǎn)速為1 200 r/min，焊接速度分別為200 mm/min、400 mm/min、600 mm/min.圖9(a)、(b)、(c)分別為不同焊接速度下穩(wěn)態(tài)階段溫度場(chǎng)分布云圖.從圖9可看出，隨著焊速增大，其峰值溫度減少，溫度場(chǎng)的形狀變得狹長(zhǎng).焊板前方的溫度梯度變大，高溫區(qū)范圍減小，出現(xiàn)這種情況是由于焊速增加，熱量輸入減小.在相同的焊接長(zhǎng)度，熱傳遞時(shí)間減少，從而導(dǎo)致熱量無法傳遞到更遠(yuǎn)的地方去.這不僅體現(xiàn)在峰值溫度上，也體現(xiàn)在溫度場(chǎng)的分布上.

圖9 1200 r/min轉(zhuǎn)速下不同焊速穩(wěn)態(tài)焊接階段的溫度場(chǎng)分布云圖

2.2.3 轉(zhuǎn)速與焊速比對(duì)溫度場(chǎng)影響

圖10為相同轉(zhuǎn)速與焊速比時(shí)的穩(wěn)態(tài)焊接階段的溫度分布云圖.其中，圖10(a)為轉(zhuǎn)速800 r/min和焊速200 mm/min，圖10(b)為轉(zhuǎn)速1 600 r/min和焊速400 mm/min.轉(zhuǎn)速與焊速比均為4.

圖10 轉(zhuǎn)焊比均為4穩(wěn)態(tài)焊接階段溫度分布云圖

在相同的轉(zhuǎn)焊比下，模擬得到的峰值溫度及熱影響區(qū)的寬度不同.造成這種現(xiàn)象的原因是影響轉(zhuǎn)焊比的大小有焊速和轉(zhuǎn)速兩個(gè)影響因素.根據(jù)軸肩和攪拌針的產(chǎn)熱模型，轉(zhuǎn)速對(duì)熱流密度的影響是線性的.但焊接速度對(duì)溫度場(chǎng)的影響不是線性的.焊接速度是通過影響焊接熱輸入的時(shí)間，進(jìn)而影響熱輸入量和峰值溫度.通常認(rèn)為焊接速度為攪拌針在穩(wěn)態(tài)焊接過程的沿焊縫移動(dòng)的速度.不同焊接速度下，熱量傳遞時(shí)間也不同.此外，不能忽略熱傳導(dǎo)的影響，溫度場(chǎng)是多種要素綜合作用的結(jié)果.如果產(chǎn)出的熱量大量的散失，那么也會(huì)影響到溫度場(chǎng)的結(jié)果.

2.2.4 可取的焊接工藝參數(shù)

以上對(duì)轉(zhuǎn)速區(qū)間為800～1 600 r/min和焊速區(qū)間為0～1 000 mm/min的LA141鎂鋰合金進(jìn)行模擬.在此溫度區(qū)間中，選出比較合適的加工參數(shù)區(qū)間，以便為實(shí)際加工過程提供參考.經(jīng)多次模擬取樣，得到加工參數(shù)的可取區(qū)間范圍如圖11所示.

圖11 LA141攪拌摩擦焊的可取焊接工藝參數(shù)

3 結(jié)論

(1)采用移動(dòng)熱源模型，利用APDL進(jìn)行ANSYS二次編程，對(duì)厚度為2 mm的LA141鎂鋰合金攪拌摩擦對(duì)焊過程溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，獲得了轉(zhuǎn)速800 r/min和焊速為200 mm/min溫度場(chǎng)沿厚度、寬度方向和焊接方向的分布規(guī)律.

(2)峰值溫度處于攪拌區(qū)，沿焊縫方向溫度場(chǎng)存在“多普勒效應(yīng)”，攪拌頭前方溫度梯度大于后方.

(3)焊接轉(zhuǎn)速直接影響熱輸入的大小，并且與熱輸入呈線性關(guān)系.焊接轉(zhuǎn)速越大，熱輸入越大，焊接后的峰值溫度越高.焊接速度越快，單位長(zhǎng)度的焊縫傳遞熱量的時(shí)間越短，焊接后的峰值溫度越低.

(4)在一定條件下，轉(zhuǎn)速與焊速比值反映著熱量輸入狀況，但不能說明熱量輸入的大小.在相同的轉(zhuǎn)速與焊速比，高轉(zhuǎn)速和焊速條件下，峰值溫度高，熱影響范圍窄.

(5)經(jīng)過多次的模擬，得到LA141鎂鋰合金可取的攪拌摩擦焊接的工藝參數(shù)，為L(zhǎng)A141鎂鋰合金的焊接提供參考.