攪拌摩擦焊（FSW）是一種新型固相連接技術(shù)，與傳統(tǒng)熔焊方法相比，具有焊后接頭殘余應(yīng)力小和變形小，對于克服異種材料性能差異很大、焊接困難等具有很大優(yōu)勢，焊接過程中金屬未達到熔點，避免了冶金反應(yīng)的發(fā)生，從而減少了金屬間化合物的生成，適合板材焊接，較為環(huán)保清潔，焊接效率高，是比較理想的異種材料連接方法[1-3]。FSW的熱量來源主要由兩部分構(gòu)成：一是攪拌頭軸肩與被焊工件母材摩擦產(chǎn)熱；二是攪拌針側(cè)面與母材的摩擦生熱[4]。由于攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱機制和連接過程十分復雜，要精確計算焊接過程中的熱輸入是十分困難的。雖然國內(nèi)外學者們在此方面作了大量的相關(guān)工作，但目前所建立的熱源模型還不能準確地反映其傳熱過程的真實情況，而涉及異種金屬FSW領(lǐng)域的則更是鳳毛麟角，因此開展異種金屬FSW溫度場的研究具有較為深遠的意義。
本文在鋁合金/鋼FSW搭接焊的工藝研究基礎(chǔ)上，深入分析了焊接過程中的產(chǎn)熱，并建立了鋁合金/鋼異種金屬FSW搭接焊傳熱分析的有限元模型，對3mm厚的2024鋁合金板與Q235鋼板FSW搭接焊進行了有限元分析。
1 基本模擬過程
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊的數(shù)值模擬流程如圖1所示。采用ANSYS大型有限元分析軟件建
模，計算中采用8節(jié)點六面體單元，對應(yīng)單元類型為SOLID70。材料屬性參數(shù)根據(jù)2024鋁合金和Q235鋼的熱物理參數(shù)加以定義，熱載荷根據(jù)所選單元的特征進行加載，施加的邊界條件、加載時間可根據(jù)鋁/鋼攪拌摩擦焊的傳熱特點和具體焊接參數(shù)加以定義。
圖1 數(shù)值模擬流程圖
2 有限元模擬
2.1 熱源模型的建立
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊過程示意圖如圖2所示，焊接過程中的熱量來源主要集中于攪拌軸肩及攪拌針與工件相接觸的摩擦表面附近，由摩擦產(chǎn)生的熱量使工件表面溫度升高，焊縫金屬在摩擦熱的作用下產(chǎn)生較大的塑性變形，并在攪拌針的劇烈攪拌下使塑化金屬發(fā)生流動從而實現(xiàn)連接。而焊接中的熱量損耗主要發(fā)生在攪拌頭、工件以及墊板處。因此在建立鋁/鋼攪拌摩擦焊熱源模型時，需考慮被焊材料熱導率、比熱容等特性隨溫度的變化情況等[5]。
圖2 鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊示意圖
根據(jù)攪拌摩擦焊的產(chǎn)熱特點，將熱源分為兩部分：軸肩和攪拌針與母材的摩擦產(chǎn)熱。
（1）軸肩產(chǎn)熱模型
（1）
式中， 為軸肩產(chǎn)熱功率； 為攪拌頭的角速度（其中 ， 為攪拌頭轉(zhuǎn)速）； 為軸肩與被焊母材間的摩擦系數(shù)；P為軸肩與工件間的軸向壓力； 為軸肩半徑； 為攪拌針直徑。
（2）攪拌針產(chǎn)熱模型
（2）
式中， 為攪拌針側(cè)面產(chǎn)熱功率； 為攪拌針端面產(chǎn)熱功率； 為圓臺體攪拌針錐角的1/2；H為攪拌針長度。
2.2 材料熱物理性能
在溫度場數(shù)值模擬過程中，合理選取材料熱物理性能非常重要，它直接影響計算結(jié)果的準確性。在模型中，不考慮攪拌頭在焊接過程中的磨損，將攪拌頭設(shè)置成為剛性體，材料為H13。
本文所采用的2024鋁合金和Q235鋼熱物理性能參數(shù)如表 1 和表 2所示。材料的密度隨溫度變化很小，計算中2024合金及Q235鋼的密度分別取2640 kg/m3和 7860kg/m3。
表1 2024鋁合金的熱物理性能[6]
表2 Q235鋼的熱物理性能[7]
2.3 數(shù)值模型
鋁/鋼攪拌摩擦搭接焊的工藝參數(shù)如下：攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1110r/min，焊接速度為44mm/min，軸肩壓入量為0.2～0.5mm，攪拌頭軸肩直徑為15mm，攪拌針長2.7mm，直徑為5mm。在起始點位置處，攪拌頭停留預(yù)熱時間為10s，焊接總時間為100s。
根據(jù)實驗所用材料對被焊板材進行實體建模：尺寸規(guī)格均為60mm×50mm×3mm的2024鋁合金（上）和Q235鋼（下）。對建好的實體模型進行網(wǎng)格劃分，焊縫區(qū)由于需要進行準確的計算和分析，所以網(wǎng)格劃分較為致密。遠離焊縫區(qū)位置由于溫度梯度較小則劃分較稀疏。厚度方向劃分為兩層，每層焊板單元總數(shù)約為3000個。實體模型網(wǎng)格劃分如圖3所示。
圖3 有限元網(wǎng)格劃分
2.4 邊界條件
在設(shè)定數(shù)值模型的邊界條件時，假定工件固定不動而攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊向前運動，轉(zhuǎn)速及焊接速度如前文所述。而對于熱量傳遞和損耗，模型的邊界條件主要包括被焊工件、墊板以及壓板自由表面的對流換熱和輻射散熱，因此將墊板下表面設(shè)定為恒溫邊界，而工件與墊板、壓板之間的熱量傳遞采用溫度耦合，即接觸處溫度相同的假設(shè)[8]。
2.5 移動熱源及熱載荷的施加
模擬攪拌摩擦焊過程時，初始階段攪拌頭會在原始位置停留一段時間，對工件進行預(yù)熱，因此有限元計算中設(shè)置熱源在原地停留10s來模擬對工件的預(yù)熱過程。預(yù)熱結(jié)束，溫度達到準穩(wěn)態(tài)后開始移動熱源的計算，此時采用移動坐標的方式，坐標原點在焊接過程中始終保持在攪拌頭旋轉(zhuǎn)軸線上，從而簡化計算過程。
熱分析過程中，在每一積分步，首先判別積分點與熱源中心的距離，從而判斷積分點是位于軸肩區(qū)還是攪拌區(qū)，從而選擇相應(yīng)的熱源形式。施加移動熱源時，通過ANSYS提供的APDL語言編寫子程序，運用循環(huán)語句，從而實現(xiàn)坐標原點的移動。
3模擬結(jié)果與分析
圖4為攪拌頭轉(zhuǎn)速為1110r/min，焊速為44mm/min，軸肩壓入量為0.4mm時有限元模擬的鋁/鋼搭接FSW瞬時溫度場云圖。由圖可知，攪拌針與工件接觸的區(qū)域（即焊核區(qū)）溫度最高，為352.4℃，與實測結(jié)果基本吻合；距離攪拌針越遠的區(qū)域，溫度越低，且溫度梯度越大。
圖4 瞬時溫度場云圖
穩(wěn)態(tài)下的溫度峰值與不同壓入量之間的關(guān)系如圖5所示。通過分析可知，軸肩壓入量對溫度峰值有著重要的影響，當壓入量逐漸增加時，溫度峰值也逐漸增加。分析認為這是由于壓入量增加即攪拌頭對工件的壓力P增加，從而導致熱輸入量增加。
圖5 峰值溫度與壓入量的關(guān)系
4工藝試驗驗證
對模擬結(jié)果進行工藝試驗驗證，試驗材料為厚度3mm的2024鋁合金和厚度為1mm的Q235鋼板，試件尺寸均為60mm×50mm，采用搭接的接頭型式（鋁合金板在上，鋼板在下）。攪拌針直徑為5mm，長度為3mm，軸肩直徑為15mm。攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為1110r/min，焊接速度為44mm/min，軸肩壓入量為0.2～0.5mm。試驗獲得接頭結(jié)合面微觀組織分析如圖6所示。
由圖6可知，當壓入量不同時，焊縫內(nèi)部鋁/鋼結(jié)合面的形貌發(fā)生了明顯的變化。鋼側(cè)在攪拌針的旋轉(zhuǎn)擠壓下發(fā)生劇烈的彎曲變形，形成“鉤狀”結(jié)構(gòu)伸入到鋁合金側(cè)，呈機械咬合狀態(tài)。隨著壓入量的增加，“鉤狀”結(jié)構(gòu)也越明顯，即鋼側(cè)受熱發(fā)生的變形越明顯。這說明隨著壓入量的增加，熱輸入量也在不斷增加，金屬受熱發(fā)生的塑性變形程度越大，從而驗證了模擬結(jié)果中壓入量越大，峰值溫度越高的結(jié)論。
（a）壓入量：0.2mm；（b）壓入量：0.3mm；（c）壓入量：0.4mm；（d）壓入量：0.5mm
圖6 鋁/鋼結(jié)合面形貌
5結(jié)論
5.1計算結(jié)果表明，鋁/鋼FSW搭接焊過程中，與攪拌針接觸的區(qū)域溫度最高，距離攪拌針越遠的區(qū)域，峰值溫度越低。
5.2采用此熱源模型對不同壓入量條件下的溫度場數(shù)值模擬結(jié)果顯示，峰值溫度隨軸肩壓入量的增加而增大。
5.3對模擬結(jié)果與實側(cè)溫度進行對比，可以發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實測結(jié)果基本吻合，說明此熱源模型在進行鋁/鋼FSW搭接焊有限元計算時具有較高的精度。
