5A06鋁合金攪拌摩擦焊熱流有限元分析

王聶龍,張書權,符書豪,戈軍委

(貴州航天天馬機電科技有限公司,貴州 遵義 563000)

0 引言

攪拌摩擦焊在焊接領域被譽為三十年最具創造性的發明,是一種優質高效、綠色、低成本、低變形的固相焊接方法,徹底解決了多種有色金屬熔焊所帶來的一系列問題,并逐步取代熔焊方式,已被廣泛應用于航空、航天、電力、鋰電池制造等領域[1-3]。

對于大厚度鋁合金板(厚度大于30 mm)的攪拌摩擦焊,為了保持焊接工件底部與頂部的差控制在鋁合金塑性變形溫度范圍內,目前國內多用雙軸肩攪拌工具焊接,雙軸肩摩擦焊頭在焊接過程中攪拌針易磨損、折斷,且使用壽命較短,而目前單軸肩一般用于薄板,以防止未焊透等缺陷,如果通過設備、工藝、攪拌工具等方面來實現大厚度有色金屬材料的高質量單軸肩攪拌摩擦焊,具有重要意義。在焊前對單軸肩攪拌摩擦焊焊接過程進行仿真分析,可減少人力、物力消耗等,為攪拌摩擦焊焊接提供理論依據[4-8]。

文中針對大厚度5A06鋁合金板采用單軸肩攪拌摩擦焊特點,擬用有限元軟件對焊接過程進行熱流分析,分析起焊時攪拌工具及焊接工件的溫度場、焊接前進側/后退側溫度場、外加熱源對攪拌摩擦焊的影響,旨在為實現大厚度鋁合金板材的單軸肩攪拌摩擦焊接提供理論依據。

1 有限元模型

1.1 攪拌摩擦焊原理

FSW是由耗材摩擦焊衍生而來的一種先進的輕金屬連接工藝。該焊接方式繼承了摩擦焊工藝的優點——固相、鍛造的微觀組織和優良的冶金連接,大大改善了常規方式焊接輕合金材料的焊接性,如圖1所示,該方法采用旋轉耐磨的攪拌工具,施加適當的頂鍛壓力,沿著焊道平動實現焊接。圖中p為焊接壓力、n為攪拌工具轉速、v為橫向移動速度。

圖1 攪拌摩擦焊過程 圖2 攪拌摩擦焊縫

FSW本質上是利用攪拌工具軸肩、攪拌針與母材結合面之間金屬摩擦熱加熱周圍被封閉的金屬,在攪拌工具攪動的作用下將前端被加熱的金屬轉移到攪拌工具的后方并逐層堆疊,在隨后的冷卻過程中經過動態再結晶和擴散連接過程而形成焊縫。FSW焊縫的表面成形機制主要表現為攪拌工具軸肩在平動和高速轉動狀態下的摩擦強制成形,見圖2所示。

1.2 幾何模型

如圖3所示,焊件材料選用5A06鋁合金,攪拌摩擦焊頭選用4Cr5W5熱作磨具鋼,焊件的三維幾何模型尺寸為300 mm×300 mm×70 mm。根據實際焊接情況,在攪拌工具與焊件裝配時將起焊點距工件邊界留50 mm的余量。

圖3 攪拌工具與焊接件模型

1.3 材料屬性的定義

模擬過程中忽略攪拌工具在焊接過程中的磨損,將攪拌工具設為剛性體。在摩擦過程中還需設定焊接材料的性能參數,主要有比熱容、密度、導熱系數等,一般說來,它們并不是常數,而是隨著材料的組織狀態和溫度而變化,本研究中忽略材料密度隨溫升的變化,在計算中取為常數2640 kg/m3。針對試驗材料,查閱文獻資料得出5A06鋁合金的基本物理參數如表1。

表1 5A06鋁合金物理性能表

1.4 有限元網格的劃分

為了兼顧較高的計算準確性和合理的計算效率,采用非均勻的網格劃分,靠近焊縫的區域采用較密的網格,而遠離焊縫區域采用較疏的網格,劃分結果如圖4所示,節點的數量為6434個,單元的數量為28913個,表面多邊形的數量為5918個。

圖4 鋁合金板有限元網格劃分

在鋁合金板塑性成形數值模擬過程中,基于非線性有限元計算時設定網格質點和物質質點同時運動。過度的大變形會造成單元嚴重畸變,這與有限元數值模擬中要求的單元形狀盡量與母單元的形狀接近相違背。文中設置節點間的相互穿入深度為0.7 mm來控制運行中網格重劃。

1.5 邊界條件的確定

攪拌摩擦焊溫度場的計算屬于瞬態熱分析,需要設定初始溫度,在傳熱過程開始時物體整個區域中各點的溫度已知,這是計算的出發點。本研究在空氣中焊接,設定初始溫度值為20 ℃。為了避免工件在模擬運動過程時的運動,需要定義工件的速度邊界條件,設置工件在空間三維方向上的速度都為零。

2 有限元模擬結果與分析

2.1 溫度場分布特征

以5A06為研究對象,攪拌工具旋轉速度為600～750 r/min,焊接速度為30 mm/min,頂鍛力為1噸左右,攪拌工具要先以一定的下壓速度壓入工件,并停留一段時間,這一階段是預熱過程。圖5為10 s時焊件溫度分布云圖,圖6為15 s時焊件溫度分布云圖。

圖5 10 s溫度分布云圖

圖6 15 s溫度分布云圖

由圖5和圖6可知,最高溫度集中在攪拌工具軸肩以下部分區域,高溫在軸肩區域向四周擴散呈環形變化,但焊件大部分及焊接末端還處在低溫狀態(20 ℃左右)。焊縫區域溫度呈現上寬、下窄的錐形分布態勢,其原因是在攪拌摩擦焊初期,攪拌針旋入工件時,由于攪拌針的形狀為錐形,上寬下窄,工件表面靠近軸肩處,始終受到攪拌針的剪摩擦力作用,而當攪拌針完全壓入工件后,攪拌工具軸肩的產熱占整個攪拌工具產熱的大部分,而攪拌針只是在焊縫中原地旋轉,金屬塑性流動產熱很小,可不考慮,軸肩摩擦產生的熱量傳導到中心需要一定時間,從而導致下面的高溫區寬度窄于表面的高溫區寬度。

從圖5和圖6可看出,溫度最高區域在軸肩范圍內且僅在軸肩以下靠近上表面的一個小區域內。這就能很好的說明,在攪拌摩擦焊預熱階段,焊接熱量的主要來源是攪拌工具軸肩與工件之間的摩擦生熱,攪拌針的產熱是較小的一部分,從而軟化了金屬,減小了材料的流動阻力,為后面攪拌工具的前進運動奠定了基礎。

2.2 焊接熱循環特征

距離起焊點位置X、Y及Z(X方向為焊接方向,Y方向焊縫橫向,Z向為厚度方向)三個方向各選三個特征點,提取溫度-時間曲線。起焊點坐標為(150,70,70)。圖7(a)為焊縫表面距離起焊點橫向Y方向距離分別為5 mm、10 mm及20 mm的三個點1、2、3的熱循環曲線;圖7(b)為焊件厚度方向上的三個點1(135,70,70)、2(135,70,60)、3(135,70,50)的熱循環曲線;圖7(c)為選擇焊接方向上三個點1(140,80,70)、2(140,100,70)、3(140,130,70)的熱循環曲線。

圖7 各方向熱循環曲線

由圖7可知,在攪拌摩擦焊過程中,工件上各點的溫度隨著攪拌工具的移動所產生熱源的作用而發生變化,溫度隨時間由低到高,達到最大值后,又由高到低的變化。從圖7(a)可知,隨著Y向距離的增加,最高溫度呈下降趨勢;從圖7(b)可知,距離焊縫表面不同厚度處的最高溫度是不同的,其原因是軸肩的摩擦產熱是主要的熱輸入,而攪拌針的產熱是很小的一部分,試件下部的熱量主要是通過軸肩產熱向下傳導而獲得的,故隨著厚度的增加,溫度逐漸下降;從圖7(c)可知,隨著攪拌工具沿焊縫向前移動,3個位置處的溫度值依次從初始溫度迅速升高到最高溫度350 ℃左右,然后又緩慢回復到初始溫度附近。

2.3 前進側和后退側熱循環曲線

為了分析前進側和后退側溫度的差異,在焊接的某一中心點處前后10 mm的地方沿焊接方向在工件內部各取3個點,其坐標分別是(140,70,50)、(140,100,50)、(140,150,50)和(160,70,50)、(160,100,50)、(160,150,50),其溫度隨時間的變化曲線如圖8所示。

圖8 前進側和后退側溫度變化曲線

從圖8對比可以發現,前進側和后退側最高溫度相差約40 ℃,其原因是在焊接過程中,由于攪拌工具旋轉在攪拌工具的后側產生空腔作用,以及攪拌工具在前側區域的攪拌前進運動所形成的楔形擠壓作用,使前進側直接攪拌區域附近的材料,沿軸肩和攪拌針的外表面被移動到攪拌工具后退側,或者被逆時針擠壓至攪拌工具的后方。而且在攪拌摩擦焊的焊接過程中,材料塑性流動所產生的熱占能量很大的一部分,工件材料在攪拌工具的攪拌作用下繞過攪拌針向后退側流動,帶入一部分能量,因而造成后退側的溫度稍高于前進側的溫度。

2.4 外加熱源對攪拌摩擦焊溫度場的影響

以下各圖中圖(a)均為平行于焊接方向焊縫中軸線縱截面溫度分布圖,圖(b)均為垂直于焊接方向縱截面溫度分布圖。可見,當單獨施加熱源時,溫度明顯升高,最高可達574 ℃,如圖10所示;而當單獨施加冷源時,溫度明顯降低,可降低到312 ℃,如圖11所示;當熱源與冷源同時施加時,最高溫度為573 ℃,最高溫度與單獨施加熱源時,相差不大,但攪拌工具附近溫度明顯比單獨施加熱源時低,如圖12所示。這說明同時施加熱源和冷源時,能夠很好地限制板材底部熱量的散失,并抑制軸肩附近溫度的快速升高,故在生產實踐中為防止軸肩附近溫升過快,常加吹冷氣裝置。

圖11 在上表面加冷源時鋁合金板溫度場

圖12 熱源和冷源同時施加時鋁合金板溫度場

3 結論

1)攪拌摩擦焊溫度場在厚度方向上呈圓錐形分布,焊接熱量主要來源于攪拌工具軸肩與工件之間的摩擦生熱,攪拌工具軸肩產熱占整個攪拌工具產熱70%以上。

2)前進側和后退側最高溫度相差約40 ℃,其原因是工件材料在攪拌工具的攪拌作用下繞過攪拌針向后退側流動而帶入一部分能量。

3)攪拌摩擦焊溫度場單獨施加熱源時,溫度明顯升高,反之單獨施加冷源時,溫度明顯降低;同時施加熱源和冷源時溫度升高與單獨施加熱源時幾乎無差別,但施加冷源能夠很好地限制板材底部熱量的散失,并防止軸肩附近溫度的快速升高。