6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

段樹(shù)華

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株州 412001）

6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)數(shù)值模擬

段樹(shù)華

（湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株州 412001）

基于ANSYS有限元分析軟件，對(duì)3 mm厚的6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，對(duì)比焊接接頭形貌以及焊接熱循環(huán)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，并研究焊接速度、下壓量、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度等焊接參數(shù)對(duì)摩擦焊峰值溫度的影響。結(jié)果表明，攪拌摩擦焊焊縫形貌模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，攪拌摩擦焊接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，焊縫峰值溫度基本穩(wěn)定在510℃～512℃，隨著距焊縫中心的距離增加，峰值溫度逐漸降低，二者基本呈線性關(guān)系；峰值溫度幾乎隨著焊接速度升高直線下降，隨著下壓量和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而升高，其中下壓量和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)峰值溫度影響較大，而焊接速度對(duì)其影響較小。

鋁合金；攪拌摩擦焊；溫度場(chǎng)

0 前言

6005A-T6鋁合金是6000系A(chǔ)l-Mg-Si鋁合金的一種，可以通過(guò)熱處理進(jìn)行強(qiáng)化，不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力磨蝕開(kāi)裂等現(xiàn)象，強(qiáng)度級(jí)別為中等，具有優(yōu)良的塑性、耐蝕性和成形性[1]。6005A合金廣泛用于制造焊接結(jié)構(gòu)件和耐蝕的機(jī)械零部件，但近年來(lái)隨著高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展，6005A合金已開(kāi)始應(yīng)用于高速列車鋁合金車體的制造，如列車底架、側(cè)墻、車頂?shù)炔课痪捎?005A-T6進(jìn)行制造[2]。焊接工藝是軌道車輛制造中的關(guān)鍵技術(shù)，焊接質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到整個(gè)車體的質(zhì)量，以及行駛過(guò)程中的舒適性和安全性。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有鋁合金車體制造普遍采用MIG焊或TIG焊，易出現(xiàn)氣孔、熱裂紋、接頭軟化和變形量大的缺陷[3-4]。攪拌摩擦焊FSW（Friction Stir Welding）是TWI于1991年發(fā)明的一種固相焊接技術(shù)，由于焊接過(guò)程中不需要額外填充焊接材料，焊接峰值溫度低于材料熔點(diǎn)，避免了冶金問(wèn)題和結(jié)晶問(wèn)題的出現(xiàn)，大大減少了焊接缺陷，在航天航空、汽車制造特等領(lǐng)域應(yīng)用較多，非常適合鋁合金的焊接[5]。但針對(duì)6005A-T6鋁合金FSW焊接接頭形成過(guò)程中的接頭形成機(jī)理和相變過(guò)程的研究并不多，一旦焊接工藝參數(shù)選擇不合適很容易導(dǎo)致接頭性能不合格，焊接過(guò)程的熱分析是接頭形成、相變和變形分析的基礎(chǔ)，有必要對(duì)6005A-T6鋁合金FSW焊接熱過(guò)程進(jìn)行研究。采用實(shí)驗(yàn)研究FSW溫度場(chǎng)沒(méi)有前瞻性，試驗(yàn)量較大、周期長(zhǎng)、成本高，而焊接數(shù)值模擬技術(shù)能夠大量地縮短研發(fā)周期，大大節(jié)省了研發(fā)成本，為FSW焊接研究提供有效的研究手段，也能為實(shí)際生產(chǎn)提供指導(dǎo)[6]。對(duì)3 mm厚的6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，分析焊接接頭形貌以及焊接熱循環(huán)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，并分析焊接參數(shù)對(duì)摩擦焊峰值溫度的影響，為6005A-T6鋁合金攪拌摩擦焊工藝參數(shù)制定提供參考。

1 模型建立

1.1 材料及焊接工藝

試驗(yàn)材料為軌道客車生產(chǎn)用6005A-T6鋁合金，厚度3 mm，其化學(xué)成分如表1所示，符合GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》標(biāo)準(zhǔn)要求。合金經(jīng)560℃×0.5 h的固溶處理及180℃×10 h的時(shí)效處理后，抗拉強(qiáng)度282 MPa，屈服強(qiáng)度189 MPa，延伸率14%，顯微硬度108 HV0.1。取尺寸300 mm× 100 mm×3 mm的焊接試板，采用攪拌摩擦焊方法對(duì)平板進(jìn)行對(duì)接焊，焊前用丙酮清洗試板焊接區(qū)域附近的油污，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度1 200 r/min，焊接速度200 mm/min，焊前停留時(shí)間5 s，下壓量0.1 mm，焊接所用的攪拌頭尺寸如圖1所示，材料為耐熱工具鋼。

為研究攪拌摩擦焊過(guò)程中焊縫周圍不同位置的熱變化過(guò)程，沿垂直于焊縫中心線方向布置了測(cè)溫點(diǎn)，距焊縫中心的距離分別為2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm、7 mm、8 mm、9 mm，對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程中熱循環(huán)進(jìn)行測(cè)定。

表1 試驗(yàn)材料6005A-T6化學(xué)成分 %Tab.1 Chemical composition of test material 6005A-T6

圖1 攪拌摩擦焊用攪拌頭示意Fig.1 Schematic graph of the FSW tool

1.2 有限元模型

采用ANSYS大型有限元分析軟件，根據(jù)焊接試板尺寸建立攪拌摩擦焊接模型，考慮到模型的對(duì)稱性，只取1/2模型進(jìn)行分析，所建立的有限元網(wǎng)格模型如圖2所示。由于焊縫區(qū)域溫度梯度較大，取較小單元尺寸，為0.4 mm；熱影響區(qū)建立過(guò)渡網(wǎng)格，最小網(wǎng)格尺寸為1 mm；基材的網(wǎng)格尺寸逐漸粗化，最大網(wǎng)格為2 mm；單元類型為SOLID70。設(shè)定熱邊界條件和初始條件，周圍環(huán)境溫度為25℃，與空氣的總熱交換系數(shù)設(shè)為25 W·m-2·K-1，焊縫中心對(duì)稱面為絕熱面。

圖2 計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分Fig.2 Model and mesh generation for analysis

1.3 材料熱物理參數(shù)

用于6005A-T6鋁合金摩擦焊溫度場(chǎng)模擬的主要材料參數(shù)有密度、熱導(dǎo)率、比熱容等，對(duì)6005AT6鋁合金熱物理性能參數(shù)隨溫度的變化進(jìn)行了測(cè)定，結(jié)果如圖3所示。

圖3 鋁合金材料性能參數(shù)Fig.3 Properties parameters for the aluminum alloy

2 結(jié)果和分析

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

將攪拌摩擦焊接接頭取金相試樣，拋光后用堿溶液進(jìn)行腐蝕，觀察接頭橫斷面宏觀形貌，并將實(shí)測(cè)結(jié)果與實(shí)際攪拌摩擦焊工藝條件下的焊縫形貌模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，模擬的焊縫區(qū)最高溫度為511.8℃，高于該溫度區(qū)域在焊接過(guò)程中熔化形成焊縫，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果吻合較好，表明所建立的模型能較精確的模擬6005A-T6鋁合金FSW焊接熱過(guò)程。

圖4 接頭宏觀形貌Fig.4 Comparison of the joint morphology modeling result with measured result

攪拌摩擦焊接過(guò)程中不同時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖如圖5所示。在t=5s時(shí)，焊接區(qū)峰值溫度為538.7℃，t=15 s時(shí)，焊接區(qū)峰值溫度為511.9℃，焊接過(guò)程開(kāi)始逐漸進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，隨著焊接過(guò)程的進(jìn)行，焊接過(guò)程逐漸穩(wěn)定，峰值溫度基本穩(wěn)定在510℃～512℃。

2.2 焊接熱循環(huán)分析

焊接過(guò)程中距離焊縫中心線2 mm、6 mm、9 mm三個(gè)不同距離位置的熱循環(huán)曲線如圖6所示。由圖6可知，焊接過(guò)程中，當(dāng)焊接攪拌頭逐漸向測(cè)試點(diǎn)附近焊縫處移動(dòng)時(shí)，各測(cè)試點(diǎn)峰值溫度逐漸升高，當(dāng)t=52 s時(shí)，攪拌焊接到達(dá)測(cè)試點(diǎn)位置，垂直于該焊縫中心線的各測(cè)試點(diǎn)達(dá)到峰值溫度，三個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度分別為415℃、300℃、230℃，隨后攪拌頭逐漸遠(yuǎn)離測(cè)試位置，溫度逐漸下降。各點(diǎn)熱循環(huán)測(cè)試結(jié)果與模擬結(jié)果吻合較好，尤其是在升溫階段，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果高度一致，在降溫階段略有差異。

圖5 不同時(shí)間階段溫度場(chǎng)分布Fig.5 Modeling temperature filed at different time period

圖6 距焊縫中心不同距離處熱循環(huán)曲線Fig.6 Thermalcyclecurveofthepointwithdifferentdistance from the weld central line

將垂直于焊縫中心線上各測(cè)溫點(diǎn)的峰值溫度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7所示。實(shí)測(cè)值與模擬值吻合較好，隨著距離焊縫中心的距離增加，峰值溫度逐漸降低，二者基本呈線性關(guān)系。

圖7 距焊縫中心不同距離處峰值溫度的變化Fig.7 Peak temperature of the point with different distance from the weld central line

2.3 工藝參數(shù)對(duì)峰值溫度的影響

模擬焊接速度、下壓量、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)對(duì)焊接區(qū)域峰值溫度的影響，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，隨著焊接速度升高，峰值溫度幾乎呈直線下降，當(dāng)焊接速度為100mm/min時(shí)，焊接區(qū)域峰值溫度為480℃，當(dāng)焊接速度提高到800mm/min，峰值溫度下降到400℃，焊接速度由100 mm/min變化到800 mm/min時(shí)，峰值溫度下降80℃，表明焊接速度對(duì)于峰值溫度有一定影響；隨著下壓量的增加，焊接區(qū)域峰值溫度總體逐漸升高，當(dāng)下壓量小于0.05 mm時(shí)，下壓量對(duì)峰值溫度升高不明顯，當(dāng)下壓量為0.05～0.15 mm時(shí)，峰值溫度隨下壓量的增加顯著升高，峰值溫度由330℃升高到510℃，隨后繼續(xù)提高下壓量對(duì)于峰值溫度的提高有限；隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，焊接區(qū)域峰值溫度升高，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度小于1 200 r/min時(shí)，隨旋轉(zhuǎn)速度升高，峰值溫度線性增加，由800 r/min時(shí)的370℃增加到了1 200 r/min時(shí)的460℃，隨后隨著旋轉(zhuǎn)速度的升高，峰值溫度升高速度減緩，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增加到1 600 r/min時(shí)峰值溫度升高到490℃，僅升高約30℃。綜上所述，焊接速度、下壓量、攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度等工藝參數(shù)對(duì)峰值溫度均有影響，其中下壓量和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)峰值溫度影響較大，而焊接速度的影響較小。

圖8 焊接工藝參數(shù)對(duì)峰值溫度的影響Fig.8 Effectofweldingparametersonthepeaktemperature

3 結(jié)論

（1）模擬的焊縫區(qū)最高溫度為511.8℃，攪拌摩擦焊焊縫形貌模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合，所建立的模型能較為精確的模擬6005A-T6鋁合金FSW焊接熱過(guò)程。

（2）攪拌摩擦焊接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，焊縫峰值溫度基本穩(wěn)定在510℃～512℃，隨著距焊縫中心的距離增加，峰值溫度逐漸降低，二者基本呈線性關(guān)系。

（3）峰值溫度隨著焊接速度升高幾乎呈直線下降，隨著下壓量和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加而升高，其中下壓量和攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度對(duì)峰值溫度影響較大，而焊接速度的影響較小。

[1]劉靜安，謝水生.鋁合金材料的應(yīng)用與技術(shù)開(kāi)發(fā)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.

[2]楊成功，單際國(guó)，熊偉.車輛用6005A鋁合金焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].焊接，2009（10）：13-18.

[3]呂曉春，雷振，張健，等.高速列車6005A-T6鋁合金焊接接頭軟化分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2014，35（8）：25-30.

[4]王炎金.鋁合金車體焊接工藝[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[5] Mishra R S，Ma Z Y.Friction stir welding and processing[J]. Materials R，2005（58）：1041-1046.

[6] Alberg a H，Berglund D.Comparison of plastic，viscoplastic，and creep models when modeling welding and stress relief heat treatment[J].Comput.MethodsAppl.Mech.Engrg.，2003（192）：5189-5208.

Numerical simulation of the temperature filed of friction stir welding for 6005A-T6 aluminum alloy

DUAN Shuhua
（Hu'nan RailwayProfessional TechnologyCollege，Zhuzhou 412001，China）

Based on the ANSYS finite element analysis software,the temperature field of friction stir welding for 3mm thickness 6005A-T6 aluminum alloy is simulated.The simulated results of morphology and welding thermal cycle of welded joints are compared with the measured results，and the effect of welding parameters，like welding speed，plunge depth and rotational speed on the peak temperature of friction stir welding are studied in this paper.The results show that the simulated result of friction stir weld morphology is in good agreement with measured result，the peak temperature of weld is basically stable at 510℃～512℃during the steady state of friction stir welding，as the distance from the weld central line increases，the peak temperature reduces gradually，and they basically have a linear relationship;The peak temperature almost declines linearly as the welding speed increases and increases as the plunge depth and rotational speed increase，and the plunge depth and rotational speed have a greater influence on the peak temperature than welding speed.

aluminum alloy；friction stir welding；temperature field

TG402

：A

：1001-2303（2015）10-0154-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.10.35

2015-02-12；

：2015-04-03

湖南省教育廳科學(xué)研究項(xiàng)目（13C591）

段樹(shù)華（1977—），男，湖南株洲人，副教授，碩士，主要從事焊接技術(shù)的研究工作。