基于ANSYS的超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)設計與仿真*

夏羅生

（張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南張家界 427000）

攪拌摩擦焊技術（FSW）是一項可持續(xù)發(fā)展的綠色環(huán)保清潔戰(zhàn)略技術，在高速軌道列車、航空航天飛行器、高速艦船快艇、汽車等輕型化結構以及各種鋁合金型材拼焊結構制造中，已經顯示出良好的技術和經濟效益［1－4］。

1 超聲攪拌摩擦焊的作用

攪拌摩擦焊技術已廣泛應用于薄板和中等厚度鋁合金板的焊接，取得了很好的焊接效果，但在焊接厚板時焊縫會出現焊接缺陷，這與攪拌摩擦焊接熱能形成有關。攪拌摩擦焊接時，被焊材料熱塑化所需熱量主要來自攪拌頭臺肩與焊件上表面的摩擦生熱，這樣就導致了焊接時表層溫度高、底層溫度較低的情況。如果焊接厚度加大，焊縫組織會出現上下不均勻現象，在焊縫深層及底層會出現組織疏松或空洞等焊接缺陷［5－8］。

考慮到工程中廣泛存在厚板焊接，為解決厚板焊接困難的問題，導入超聲振動的攪拌摩擦焊接新方法。通過超聲振動裝置，向焊縫深層區(qū)導入超聲振動機械能，利用超聲波減小金屬塑性流動阻力，增加其流變塑性的物理效應，改善材料力學性能，消除焊縫底層焊接不充分或組織疏松等缺陷［9－10］。

2 超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)工作原理

超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)是在現有攪拌摩擦焊接設備的攪拌頭上加裝超聲裝置構成，主要由超聲波電源、超聲換能器1、超聲變幅桿2和攪棒針4等組成，如圖1所示。超聲波電源主要是將工頻的交流電轉換為超聲頻電振蕩信號，為換能器提供激勵輸入。超聲換能器1通過具有逆壓電效應的材料，將來自超聲波電源的電能量轉換成聲能量，并在換能器的端面產生超聲頻的機械振動。超聲變幅桿2與超聲換能器1緊密連接，由于變幅桿截面越小，能量密度越大，振動的幅值也就越大，因此變幅桿2能夠將換能器輸出端的超聲振動放大。焊接時，超聲換能器1將超聲頻電能轉換成超聲機械振動波，通過變幅桿2帶動攪棒針4作超聲波振動，與此同時，超聲換能器1、變幅桿2、攪棒針4與臺肩3一起高速旋轉，鉆入焊件5與6的接縫，并與焊件保持一定壓力，周圍金屬在攪棒和臺肩與焊件間的高速旋轉摩擦作用下受熱軟化，并在高速旋轉攪拌作用和超聲振動的作用下，從攪棒前方流向后方并焊合。

3 超聲攪拌摩擦焊接裝置總體結構設計

超聲攪拌摩擦焊接裝置是實現厚板攪拌摩擦焊接的關鍵，根據超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)工作原理及攪拌要求，其總體結構如圖2所示。常規(guī)的攪拌摩擦焊接設備中，攪拌針直接安裝在焊機主軸前端，并由焊機主軸帶動一起旋轉。圖2中，法蘭盤7的前端錐面與焊機主軸1的錐孔配合進行定心，并通過聯接螺釘連接，扭矩由焊機主軸1前端的端面鍵傳遞給法蘭盤7。超聲換能器5安裝在法蘭盤7中，由位于其節(jié)點處（振幅為零處）的凸肩、定位在法蘭盤7中心、通過端面鍵8與連接套10聯接，連接套10由其上部止口與法蘭盤7定心，通過聯接螺釘與法蘭盤7聯接并軸向壓緊換能器5，超聲變幅桿9與換能器5緊密聯接，變幅桿下端與攪棒針11緊密聯結。臺肩13由連接套10內孔定心，并由止動螺釘12固定于連接套下端，臺肩中心的孔與攪棒針11外圓構成動配合，側向支撐攪棒，卸除變幅桿所受的彎曲載荷，并允許攪棒針作超聲振動，臺肩與攪棒無宏觀相對運動，兩者合在一起構成超聲攪拌焊頭，除攪棒作微幅超聲振動外，其余與常規(guī)攪拌摩擦焊一樣。法蘭盤7外圓裝絕緣套3，由壓蓋和壓緊螺釘2實現與法蘭盤7的固定，絕緣套3外圓固定兩個銅環(huán)4，工作時，銅環(huán)隨法蘭盤7旋轉，碳刷組件6固定于主軸箱上不動，碳刷組件上的兩個碳塊電極分別與兩銅環(huán)保持接觸，換能器5的兩個電極經內部導線分別與兩銅環(huán)導通。

工作時，來自超聲波發(fā)生器的勵振電壓通過碳刷組件6經銅環(huán)4，再經連接在銅環(huán)上的接線柱與可回轉的的超聲換能器5的電極相連，即可將激勵電壓加在換能器5的壓電晶體兩端，從而在換能器的兩端產生高頻的機械振動。換能器的輸出端經螺紋與圓錐形超聲變幅桿9相連接，將換能器輸出的微小振幅放大，從而在攪拌針11的端面產生高頻小振幅的振動，一方面可以將振動的能量轉化為熱能，改善焊縫底層的金屬的溫度分布;另一方面，通過超聲振動來改善焊接過程中軟化材料的流動性能以及組織的再結晶過程等。

4 超聲攪拌摩擦焊接裝置仿真與分析

超聲攪拌摩擦焊接裝置能否達到改善焊縫力學性能，消除焊縫底層焊接不充分或組織疏松等缺陷的目的，取決于以下兩個方面:一是超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的固有頻率是否與工作頻率相同;二是在攪拌針前端產生的軸向超聲振動是否是該超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)產生的主要振動。它們決定了此系統(tǒng)能否實現最佳的能量轉換和傳遞，為此需對此超聲攪拌摩擦焊接裝置進行動態(tài)特性分析，主要包括模態(tài)分析（固有振動頻率分析）和諧響應分析。由于該裝置既有超聲換能器的壓電效應，又有機械結構所產生的放大作用，是一種結構場與電場的耦合場，若只對單一場進行仿真分析，其仿真分析結果與實踐會有較大的出入，因此要真實反映實際情況，需將結構場與電場進行耦合，一起進行分析。ANSYS軟件具有對兩種或者多種物理場的交叉作用和相互影響進行綜合仿真運算的能力，其中的PLANE23（耦合場四邊形單元）、SOLID5（耦合場六面體單元）、SOLID98（耦合場四面體單元）等主要用于對壓電晶體材料的機電耦合問題進行分析［10－12］。

4.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來分析在無阻尼自由振動的條件下，超聲攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的固有振動特性，即結構的固有振動頻率和振型。固有頻率和振型是功率超聲系統(tǒng)的重要特性，它決定了所設計的超聲振動系統(tǒng)能否實現最佳的功率轉換和傳遞。在建模時忽略電極片的厚度及連接螺栓以及預應力的作用，考慮到換能器和變副桿的幾何形狀為軸對稱結構，建立有限元模型時可以只取其結構的1/4，然后在其剖分面上加上對稱邊界條件來處理，這樣可以大量減少網格劃分時形成的單元數目和節(jié)點數目，壓電陶瓷采用帶電壓自由度的8結點六面體單元SOLID5，其余部分采用彈性8結點六面體單元SOLID5，采用SWEEP方式和Free方式相結合劃分網格，所建立的模型及網格劃分如圖3。

對有限元模型進行加載和求解時，定義分析類型為模態(tài)分析，選擇Block Lanczos方法，提取8階模態(tài)，分別將壓電陶瓷的負極3個面上所有結點的電壓自由度耦合和正極2個面上的所有結點的電壓自由度耦合。然后分別求解諧振狀態(tài)和開路狀態(tài)反諧振狀態(tài)下壓電陶瓷換能器的自然頻率，求解結果如表1所示。從表中可看出，其一階振型的共振頻率為19.494 kHz，反共振頻率為20.359 kHz。超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)的一階振型如圖4所示，其中，虛線部分為最大伸長時的狀態(tài)，實體部分為壓縮時的狀態(tài)，可見在一階諧振頻率處，超聲系統(tǒng)的主要變形發(fā)生在軸向的縱振動，與設計要求是吻合的。

表1 超聲系統(tǒng)的共振頻率與反共振頻率

4.2 諧響應分析

進行諧響應分析是用來確定超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的激勵電壓時的穩(wěn)態(tài)響應，目的是計算出其動力響應，得到位移對頻率的幅頻特性曲線及其他隨頻率變化的情況。對于諧響應分析，峰值響應發(fā)生在激勵電壓頻率和固有頻率相等時，也就是說，只有當換能器的工作頻率與其固有頻率相等時，換能器的端面才能達到最大位移。ANSYS分析完成后，因為攪拌針端面的振幅是超聲加工成功的關鍵所在，需在ANSYS后處理程序POST26中，定義一個變量jpc代表攪拌針端面1552號節(jié)點（圖4中攪拌針端面圓心處）的縱向（Z方向）位移自由度，分析出jpc隨頻率變化的關系曲線如圖5所示。可見，在頻率為19.494 kHz附近，整個超聲系統(tǒng)達到諧振狀態(tài)，其位移為72 μm，在第二階模態(tài)28.706 kHz附近，輸出振幅減小了約50%。

5 結語

利用ANSYS軟件的多物理場耦合功能，將超聲攪拌摩擦焊接裝置的換能器、變幅桿和攪拌針作為一個整體，將結構場與電場進行耦合，并綜合考慮到壓電耦合場的作用，建立了整個超聲攪拌摩擦焊系統(tǒng)的有限元計算模型。通過ANSYS的模態(tài)分析和諧響應分析計算結果表明，其共振頻率為19.494 kHz，與后來實際測量的共振頻率19.56 kHz接近。在施加1 000 V的正弦電壓時，其振動輸出端的最大振動位移發(fā)生在頻率為20 kHz左右，振幅約為72 μm，滿足設計要求，所設計的超聲振動系統(tǒng)能夠滿足攪拌工作時諧振的要求。

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