2219鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究

熊 飛, 錢 煒, 劉 鋼

(1.上海理工大學機械工程學院,上海 200093;2.上海特種數控裝備及工藝工程研究中心,上海 201111)

2219鋁合金攪拌摩擦焊接工藝研究

熊 飛1, 錢 煒1, 劉 鋼2

(1.上海理工大學機械工程學院,上海 200093;2.上海特種數控裝備及工藝工程研究中心,上海 201111)

借助于有限元仿真軟件ANSYS模擬仿真2219鋁合金攪拌摩擦焊接過程,得到在焊接準穩態階段不同時刻和位置處的溫度情況,確立了溫度場在時間和空間上的分布規律.結果表明,焊接的最高溫度為525℃,低于鋁合金熔點.在試驗中采用仿真所使用的焊接工藝參數,得出的焊縫表面質量較好,沒有出現背部間隙及未焊透缺陷.在整個試驗過程中,試驗測得的工件溫度變化與仿真模擬的結果誤差小于5%.在進行試件的力學性能試驗中,試件的抗拉強度達到母材的74%,均高于其它的焊接方式.所采用的焊接工藝參數對實際焊接6 mm厚的2219鋁合金具有借鑒作用.

攪拌摩擦焊;溫度場;仿真;焊接工藝參數

自英國焊接協會(TWI)于1991年發明攪拌摩擦焊接技術以來,國內外學者對焊接過程中溫度的變化[1-2]、材料的流動情況[3]以及利用該技術焊接同種材料、異種材料[4-5]等都作了廣泛的研究.但是,從查閱目前相關報道文獻來看,針對不同厚度的2219鋁合金的焊接所需采用的焊接工藝參數的研究相對較少.因此,在實際加工過程中可供參考的工藝參數對零件加工的質量起到一定的保障作用.

目前,航空航天業多采用2219鋁合金,并且攪拌摩擦焊接在航空航天領域應用較廣,故以2219鋁合金為研究對象,利用ANSYS軟件建立有限元分析模型,對焊接過程進行溫度場模擬.

攪拌摩擦焊是一個復雜的成型過程,由溫度變化、組織結構轉變、應力應變及金屬流動等多因素相互作用而成.焊接時,焊縫處的溫度與焊縫的組織和性能有著直接的關系,也影響著焊接缺陷的形成過程.因此,對焊縫處溫度場的數值模擬是研究焊縫組織性能、焊接變形和殘余應力的基礎.

自攪拌摩擦焊技術得到應用以來,國內外學者對溫度場熱源模型展開了大量的研究.一些學者假設模擬焊接過程中全部產熱來源于軸肩與工件表面的摩擦,如Song等[6]提出的耦合產熱模型.一些學者則將熱源簡化為軸肩與工件的產熱以及攪拌針與工件的產熱,如王希靖等[7].本文采用攪拌頭軸肩及攪拌針與工件的摩擦產熱作為熱源模型.

1 熱源模型的確立

假設攪拌針為表面沒有螺紋的圓錐體,忽略焊接過程中的金屬塑性變形功,得出簡化的攪拌頭熱輸入模型.攪拌摩擦焊接(FSW)的熱源主要由3個部分組成[8]:軸肩與工件上表面的摩擦產熱、攪拌針側面與工件的摩擦產熱、攪拌針底部端面與工件的摩擦產熱.

1.1 軸肩產熱模型

式中,qs為軸肩的產熱功率;ω為攪拌頭的角速度; μ為軸肩與母材間的摩擦系數;P為軸肩與母材間的垂直作用力;R1為軸肩半徑;R2為攪拌針根部半徑.

1.2 攪拌針側面產熱模型

式中,qps為攪拌針側面的產熱功率;a是攪拌針錐角的1/2;R3為攪拌針端部半徑,H為攪拌針扎入最大深度.

1.3 攪拌針端面產熱模型

式中,qpb為攪拌針端面產熱功率.

2 仿真過程分析

模擬采用的鋁板尺寸為150 mm×50 mm× 6 mm,以對接形式焊接.攪拌頭簡化為不帶螺紋的圓錐體攪拌針和圓柱軸肩,攪拌頭軸肩直徑為18 mm,攪拌針直徑為6 mm,攪拌針長度為5.8 mm.主軸轉速為490 r/min,焊接速度為90 mm/min,垂直方向上的下壓力為25 kN.

2.1 網格劃分

采用ANSYS進行建模分析,在模擬分析過程中,采用solid70,8節點六面體單元.劃分網格時采用非均勻網格劃分,焊縫附近采用較密的網格,遠離焊縫處采用較稀疏的網格,這樣既可以考慮焊縫處溫度變化較大而影響結果的精度,同時又能減少計算量,提高工作效率.網格劃分結果如圖1所示.

圖1 有限元數值模擬網格劃分示意圖Fig.1 Finite element mesh used in numerical simulation

2.2 材料熱物理性能

模擬分析選用2219-T87鋁合金,在進行ANSYS模擬過程中,需要材料的性能參數,如密度、比熱容、導熱系數等.這些參數隨著溫度的變化發生變化[9],如表1所示.在攪拌頭與工件接觸過程中,兩者之間的摩擦系數[9]隨著溫度的變化也發生變化,如表2所示.焊接初期,溫度較低,摩擦系數較大,而隨著溫度的增大,材料也慢慢變軟,與攪拌頭之間的摩擦也隨之變小.

2.3 邊界條件的確定

環境的初始溫度設為20℃,工件與周圍空氣設為熱對流,換熱系數設為30 W/(m2·℃),兩個工件對接面設為絕熱面,工件底部與支撐砧板的接觸傳熱設為換熱系數較大的對流換熱,取值為1 000 W/(m2·℃).兩塊焊接板上部與壓緊機構有一定的傳熱,其換熱系數統一設置為30 W/(m2·℃).

表1 熱物理性能參數[9]Tab.1 Thermo-physical performance parameters

表2 不同溫度時鋁合金與攪拌頭之間的摩擦系數[9]Tab.2 Friction coefficient at different temperature

在模擬過程中,采用移動熱源對工件施加熱源進行模擬.軸肩與工件摩擦表面施加面熱源,攪拌針與工件之間施加體熱源,利用APDL編程,采用*do-*enddo循環語句加以實現.在循環計算中,沿著焊接方向將焊縫等分為N段,將各段的后點作為熱源中心加載熱流密度.每一段為一載荷步,當加載下一載荷步計算時,消除上一段所加載的熱流密度,并且將上一段計算所得溫度作為下一步加載的初始條件.

3 仿真結果分析

圖2 不同時刻攪拌摩擦焊的溫度分布云圖Fig.2 Temperature contours of friction stir welding at different time

圖2是FSW過程開始后30～70s時的溫度場分布情況.當焊接開始后第30 s時,焊縫處最高溫度為505.14℃;第37 s時,焊縫處最高溫度為510.83℃;第40 s時,焊縫處最高溫度為514.80℃;第50 s時,焊縫處最高溫度為519.32℃;第55 s時,焊縫處最高溫度為521.27℃;第60 s時,焊縫處最高溫度為522.52℃;第65 s時,焊縫處最高溫度為524.01℃;第70 s時,焊縫處最高溫度為525.33℃.

由圖2可知,在焊接進入準穩態過程中,溫度峰值主要集中在焊縫區域.隨著攪拌頭的移動,與攪拌頭接觸的區域溫度迅速上升,攪拌頭走過的區域因為與空氣對流,慢慢地溫度降低.工件的瞬時最高溫度平均值為520℃,均出現在攪拌中心處,低于工件的熔點,約為熔點的80%左右,在焊接過程中沒有出現熔化現象,整個過程為固相連接.

4 試驗驗證

為驗證仿真結果的準確性,采用與仿真相同的工藝參數以及相同尺寸的試件進行焊接試驗.焊接后的試件如圖3所示.工件上表面出現少量的飛邊現象,存在均勻的魚鱗狀紋路,形狀美觀,手感均勻.工件背部光潔平整,試件沒有與墊板產生粘結現象,也沒有出現背部間隙及未焊透缺陷.

圖3 焊接后試驗板Fig.3 Tested plate after welding

4.1 溫度測量

在工件的上表面距離焊縫15 mm處安放熱電偶來測量離焊縫起始端距離分別為30,40,50,60, 70,80 mm的溫度,測量結果如圖4所示.

從圖4中取出每個測量點的最高溫度與有限元模擬的最高溫度進行比較,如圖5所示.從圖5中可看出,模擬結果與試驗測量結果變化趨勢基本吻合,相對誤差很小.在焊接30 s后,最高溫度均在520℃左右發生變化,焊接進入準穩態焊接階段,仿真模擬的結果與實際的焊接相符合.

4.2 焊縫的拉伸力學性能分析

拉伸試驗數據如表3所示,可知FSW的焊縫抗拉強度能達到母材的74%,均高于熔焊和等離子焊接焊縫.

圖4 試驗測量結果Fig.4 Results of the experiment

圖5 有限元模擬結果與實際試驗結果比較Fig.5 Results of experiment compared to simulation results

表3 不同焊接方法下抗拉強度的比較Tab.3 Comparison of tensile strength by different welding methods

5 結 論

a.成功地模擬了焊接6 mm厚的2219鋁合金準穩態時的溫度場,并在后續試驗中證實了其準確性.

b.模擬焊接6 mm的2219鋁合金時所采用的工藝參數是:主軸轉速為490 r/min,焊接速度為90 mm/min,垂直方向上的下壓力為25 kN.該參數下,獲得焊接過程中焊縫處的溫度場與實際焊接相符合,是最佳的焊接工藝參數.

c.對FSW試驗后得到的試件進行力學試驗分析時,FSW的試件抗拉伸性能較熔焊和等離子焊接試驗所得的工件要高,力學性能更好.

參考文獻:

[1] McClure J C,Feng Z,Tang W,et al.A thermal model of friction stir welding[C]∥Proceedings of the 5th International Conference on Thrends in Welding Research,1998:68-75.

[2] Chao Y J,Qi X.Thermal and thermo-mechanical modeling of friction stir welding of aluminum alloy 6061-T6 plate[J].J Mater Process Manuf Sci,1998, 7(2):215-233.

[3] 王希靖,韓曉輝.基于FLUENT的鋁合金攪拌摩擦焊三維流場數值模擬[J].電焊機,2006,1(1):48-50.

[4] 馮吉才,王亞榮,張忠典.鎂合金焊接技術的研究現狀及應用[J].中國有色金屬學報,2005,15(2):165 -178.

[5] 郭曉娟,李光,董春林,等.1420鋁鋰合金攪拌摩擦焊接力學性能[J].焊接學報,2009,30(4):45-48.

[6] Song M,Kovacevic R.Thermal modeling of friction stir welding in a moving coordinate system and its validation[J].Int J Machine Tools Manuf,2003,43 (6):605-615.

[7] 王希靖,韓曉輝,郭瑞杰,等.攪拌摩擦焊接過程溫度場數值模擬[J].焊接學報,2005,26(12):17-20.

[8] Song J L,Deng Q L,Chen C Y,et al.Rebuilding of metal components with laser cladding forming[J]. Applied Surface Science,2006,252(22):7934-7940.

[9] 徐韋鋒,劉金合,朱宏強.2219鋁合金厚板攪拌摩擦焊溫度場數值模擬[J].焊接學報,2010,31(2):63 -66.

[10] 王國慶,趙衍華.鋁合金的攪拌摩擦焊[M].北京:中國宇航出版社,2010.

(編輯:石 瑛)

Frictions Stir Welding Process for 2219 Aluminum Alloy

XIONGFei1, QIANWei1, LIUGang2
(1.School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China; 2.Shanghai Special Numerical Control Equipment and Technology Engineering Research Center,Shanghai 201111,China)

The finite element analysis simulation software ANSYS was used to simulate a 2219 aluminum alloy friction stir welding process.The temperatures at different time and different positions were presented to make sure how the temperature is distributed in the space-time temperature field in steady-state phase.The results indicate that the maximum welding temperature is 525℃,lower than the melting point of aluminum alloy.In an experiment,adopting the welding parameters which were used in the simulation,the quality of weld surface is well.The error of temperature on the work piece,compared with the result of the simulation,is less than 5 percent.In a mechanical performance testing,a specimen by FSW(friction stir welding)is obviously better than those by other welding processes.Its tensile strength reaches 74%of that of the base metal.In an actual welding process,when a 2219 aluminum alloy plate with 6 mm thickness was welded,the welding parameters have been refered to those used in the simulation and good results were achieved.

friction stir welding;temperature field;simulation;welding parameters

TG 402

A

1007-6735(2015)01-0079-05

10.13255/j.cnki.jusst.2015.01.014

2013-09-09

上海市重大技術裝備研制專項基金資助項目(ZB-ZBYZ-03-11-2190)

熊 飛(1987-),男,碩士研究生.研究方向:機械工程.E-mail:terry_ff@126.com

錢 煒(1964-),男,副教授.研究方向:機械設計理論.E-mail:qyc0510@163.com