基于Ansys的FSW_CAF復合技術流程分析與評述

左都全 趙英杰 宋明成 宋淵明

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基于Ansys的FSW_CAF復合技術流程分析與評述

左都全1，2趙英杰2宋明成2宋淵明2

（1．重慶三峽學院現代機械結構材料工程技術中心，重慶萬州 404100）（2．重慶三峽學院機械工程學院，重慶萬州 404100）

Ansys強大的應力應變與蠕變時效非線性分析功能為具有焊接結構的壁板模擬分析提供了平臺，尤其是參數化設計APDL語言的應用為焊接模擬關鍵技術的實現提供了條件．本文嘗試將攪拌摩擦焊（FSW）新工藝與蠕變時效成形（CAF）技術相結合，以2A12薄壁筋板為例，描述數字模型建立過程與殘余應力模擬分析流程，探討其成形過程及其實現方法，并對攪拌摩擦焊與時效成形相結合的工藝進行了展望，為后續深入研究ANSYS環境下的攪拌摩擦焊_蠕變時效構件進行相關數值模擬與殘余應力分析提供理論基礎和依據．

攪拌摩擦焊；時效成形；殘余應力；回彈；ANSYS

1．引 言

當前，我國航空航天產品大量使用變形鋁合金（如2A12，2A14、7050等），特別是大飛機項目成立后，為了滿足輕型化、新型化和低成本的要求，鋁合金整體壁板成形顯得尤為突出．目前為止，已經發展出不同系列和品種的鋁合金，如：航空航天類鋁合金、裝甲類鋁合金、以鋁基為主的復合材料等．對于鋁合金整體壁板的焊接，傳統方法是熔化焊工藝，該工藝是一種材料局部熔化和凝固的微冶煉過程．對于綜合性能要求較高的鋁合金材料，焊接工藝連接不同板材中不推薦甚至禁止使用熔焊[1]．近幾年來，新型的固態焊接方法——攪拌摩擦焊在輕金屬材料領域得到了快速發展和應用，其原因在于該法可以焊接所有系列的鋁合金（如表1）．我國在該領域的研究雖然起步較晚，但是發展很快．目前許多研究機構，以及企業都已拓展了攪拌摩擦焊技術的研究領域，并將其用于鋼材、合金等高熔點材料的焊接．

表1 不同系列鋁合金材料可焊性對比

系列

100（AL）

2000（Cu）

5000（Mg）

6000（Si）

7000（Zn）

8000（Li）

熔焊

可焊

部分可焊

可焊

可焊

不可焊

不可焊

攪拌摩擦焊（FSW）

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

大型整體壁板成形技術是中國大飛機研制的另一核心關鍵制造技術[2]．近年來，時效成形作為一種用以成形整體壁板的有效工藝，漸漸在航空領域得到廣泛的應用．將時效成形工藝引入到飛機結構部件的制備中，尤其是在機身薄壁板，飛機的上、下翼蒙皮，具有整體加強筋的復雜形狀零件和采用FSW連接的更復雜、更大型的整體裝配部件上[3]．開展將CAF工藝應用于FSW連接的整體筋壁板上的研究，不僅可以有效降低飛機壁板上的各種殘余應力，在很大程度上還可大大降低零部件的生產制造成本．

攪拌摩擦焊連接的大型、復雜整體壁板件，長期在惡劣的環境下運行，其微觀組織會發生長大、蠕變等現象，使得材料變脆和力學性能下降．目前，國外研究人員對壁板的攪拌摩擦焊焊縫處或蠕變時效模型研究大都集中在試驗、損傷計算和微觀組織的觀察上[4]；國內展開了對攪拌摩擦焊焊接過程進行數值模擬分析（如：焊接溫度場和流場模擬）以及適用于不同材料的焊接工具和工藝、焊接接頭的性能及合理的結構設計等方面的研究[5]．隨著攪拌摩擦焊在近幾年的快速發展，在此基礎上也生成了許多衍生技術，如復合熱源攪拌摩擦焊接、攪拌摩擦點焊接等技術[6]．在此背景下，本論文闡述另一種衍生技術——攪拌摩擦焊_蠕變時效成形復合技術．目前國內尚未見到有關此技術應用于整體壁板成形中的報道．因此，及時開展對焊接壁板時效回彈預測和基于殘余應力下的焊接對整體壁板蠕變影響有一定意義．

2 ANSYS環境下時效建模過程與回彈描述

2.1 彈塑性本構方程的建立

應力-應變關系曲線不僅反映了材料的變形應力隨著變形條件而變化，也從宏觀上反映了材料的性能與內部組織之間的內在聯系．為了準確預測2A12鋁合金的蠕變時效過程，首先必須確定的是在最佳溫度下，描述該材料蠕變性能的應力應變關系——本構方程[7]．通過蠕變拉伸實驗可獲得應力與應變關系曲線，它描述了材料的真實應力、真實應變、真實應變速率與時效溫度之間的關系，定量反映了變形應力和變形條件以及材料在微觀組織上性能間的內在聯系，是材料蠕變變形參數確定的基本依據[8]．而數值模擬的準確度與所建立的數學模型密切相關．所以，利用材料蠕變率相關特性，結合通用全局優化法的優化算法，擬合出應變率與蠕變時間最佳關系曲線是建立蠕變變形數字模型的關鍵．

蠕變變形是一個復雜的微觀過程．描述蠕變過程的蠕變曲線通常被分為三個階段，即：蠕變的減速階段、蠕變的穩態階段以及蠕變的加速階段[9]．在有限元軟件庫中，針對不同階段選擇合適的本構模型，創建模型的假設，材料、荷載和變形載以及程序中的數值問題是否適合模型，是獲得準確數據的關鍵[10]．在選擇有限元蠕變模型時，根據陳化理論、時間硬化理論與應變強化理論等蠕變理論[11]，本文作了以下考慮：

（1）蠕變時效過程是在低應力作用下（低于屈服應力）成形的，對于非線性彈-塑性材料（圖1），加載與卸載過程的研究有助于回彈的分析．為了準確預測成形件時效后的回彈量，展開對鋁合金焊構件的彈塑性分析，選擇出最佳分析方式．

（2）常用的本構關系有2種：唯象本構模型[12]與統計本構模型．對于工程上常用的一般合金，由于蠕變過程對溫度和應變速率較敏感，而且其變形機制相對復雜，通常采用描述材料蠕變過程的方法是唯象本構模型．具體過程是：在實驗中先測量一定的應變速率數據，然后測量一定溫度范圍內的流動應力數據，最后根據這些數據建立本構方程．

（3）蠕變變形過程中的穩態階段，其蠕變速率是三個階段中最小的，再加上該階段的變形機制較為簡單，因此穩態蠕變速率常常被用來衡量材料抗蠕變變形（加工硬化）的能力，而在以前的工程研究中，大多忽略了此階段．因此，建立第一階段與第二階段的本構模型有著很大的工程意義[13]，不可忽視．下面以攪拌摩擦焊連接的2A12薄壁筋板件為例簡以敘述其建模過程．

2.2 焊接單元的蠕變時效建模實例

使用有限元分析軟件Ansys，結合上一步本構模型擬合出的蠕變常數項，根據下表2的模型參數建立如圖2的有限元數字模型[14]289-328．該模型采用攪拌摩擦焊工藝將筋條與圓板連接，建模時應選擇可變形焊接單元MPC184-WELD和具有蠕變特性用于模擬板材和加強筋的材料．

表2 有限元模擬模型主要參數

溫度（℃）

時間（h）

凹模半徑（R/mm）

壓力（MPa）

板材尺寸（mm）

筋條寬*高（mm）

190

10

1 000

0.5

315*1.5

5*13

焊接壁板件蠕變時效待分析的內容較多，其中包括材料非線性問題的分析、幾何非線性問題的分析等．為了在十分復雜的時效過程中，保證分析計算的準確性，在Ansys建立蠕變時效分析模型前，還需考慮多種材料特性和分析方法[15]：

（1）具有率相關蠕變變形行為的材料，會隨時間的變化產生不可恢復的應變，但蠕變過程中的時間尺度跟率相關塑性相比，要大得多．

（2）蠕變分析過程中會出現塑性響應，而塑性具有非保守性與路徑相關性．荷載施加的順序，以及什么時候發生塑性響應會影響最終結果．建議方法：把荷載處理成一系列的小增量荷載步或時間步．

（3）塑性準則的選取能夠準確反映材料變形方向和應力狀態與屈服點之間的關系．

（4）Ansys使用隱式和顯式積分二種方法來進行蠕變分析．

本例根據所研究材料在彈-塑性和蠕變的雙重特性作用下，選擇具有包辛格效應的雙線性隨動強化（BKIN）材料，采用Von Misses屈服準則，選擇隱式積分方法，構建具有第一階段和第二階段的蠕變方程，分析非線性材料的蠕變行為，為進行后面回彈預測研究打下了基礎．

2.3 時效回彈分析描述

蠕變時效過程分為：彈性加載、蠕變及彈性回彈3個階段[16]．對不同階段等效應力及等效蠕變分布情況進行分析．利用自行研制的集加熱系統與成形模具于一體的蠕變時效成形裝置（如圖3），采用等尺寸的模具及板料在相同的工藝條件下進行試驗驗證，以回彈后零件拱高作比較，根據下述公式（1）可計算出相對誤差，并與工程允許的誤差范圍進行比較[17]．

?=100%×（-?）/? （1）

其中，：相對誤差，模擬值，回彈值，試驗值

采用上述方法建立的蠕變本構方程及有限元焊構件數字模型，對模具進行過彎量的設計與回彈補償，精確制造出適合大飛機用的整體壁板具有十分重要的指導性作用．

圖1 時效成形過程的應力應變路徑

圖3 氣壓工裝整體實物圖

3 Ansys環境下的FSW殘余應力分析流程

攪拌摩擦焊接是一個非常復雜的過程，同時經歷熱耦合和機械攪拌雙重作用．蠕變時效對材料成形精度要求高的復雜零件極其有效．若想揭示攪拌摩擦焊接處產生的殘余應力對蠕變影響的機理，必須要深入了解基于ANSYS的耦合結構分析原理、建模過程、生死單元技術及其熱源數學模型的建立[18]．在蠕變時效處理后的焊接金屬材料上展開殘余內應力分析，可以對焊接后材料的殘余應力-應變分布和蠕變損傷分布進行準確的預測，從而減少焊接結構的力學性能帶來的負面影響．為更好地了解攪拌摩擦焊接蠕變時效復合工藝的殘余應力分布和焊接壁板的力學性能，準確研究殘余應力對焊接壁板的蠕變影響程度，選取高溫用焊接壁板殘余應力作用下的蠕變時效行為進行有限元模擬[19]，并與無焊接殘余應力狀態下的蠕變時效情況進行比較．在此，以上面的實例為例，進行熱-應力建模及殘余應力分析流程闡述．

3.1 熱源模型選取

在進行熱分析之前，必須正確選取適合研究的熱輸入數學模型[20]．由于攪拌摩擦焊接比較新，有關計算模型的研究很少．Mcclure[21]等采用古典的Rosenthal解析方法很好地將移動的點熱源和線熱源作為了熱源的輸入對象．Russell等人為了分析FSW焊接的產熱過程，在摩擦焊接的基礎上，采用了現有的移動熱源的數字分析方法進行了模擬[22]．實際上FSW的熱源一部分來自旋轉工具在工件上運動而產生的摩擦熱，另一部分熱來自于攪拌針的側面和旋轉的銷子周圍的金屬塑性變形，其過程如圖（4）．

在此，針對三維的攪拌摩擦焊接產生的殘余應力對蠕變時效的影響為重點，可以將此模型分析分為兩部分，即：傳熱分析和焊接過程中的蠕變應力分析[23]．為了研究殘余應力對蠕變的影響，結合旋轉工具與工件表面的摩擦是主要的，且認為熱流的熱傳導是唯一的傳熱方式．基于此，可以選擇Yuh J.Chao和XinhaiQ建立的熱源模型進行試驗[24]．

3.2 Ansys焊后殘余應力分析方法選取

目前，針對時效處理的鋁合金焊接材料熱分析研究主要方法有二[25]：一是試驗方法，采用應力釋放法和無損檢測法來測定殘余應力；二是建立了蠕變時效后的數學模型進行熱-應力順序耦合分析，獲得攪拌摩擦焊接的殘余應力分布云圖．雖然有限元數值模擬分析方法簡單且實用，但其模擬結果的準確程度與所使用的本構方程密切相關．對于數字模型熱應力的分析方法，ANSYS軟件庫中提供了三種：

（1）在靜力學模塊中進行結構應力分析時，可直接定義節點的溫度．當所有的節點溫度為已知的定值時，可以直接使用命令BFE、BF或KBF來定義溫度．使用命令時，需要注意的是：在應力分析過程中，節點溫度不是節點自由度，而是作為體載荷使用．

（2）間接法．首先是進行熱分析，其次在結構應力分析模塊中，以體溫表載荷的形式施加在將第一步熱分析求得的節點溫度上．

（3）直接法．通過耦合單元直接得到熱分析與結構分析兩個結果，需要注意的是耦合單元必須同時具有位移自由度和溫度兩個參數．

3.3 建立殘余應力數字模型的過程描述

將上述熱分析計算結果編寫在彈-塑性應力應變分析的APDL程序上，即可模擬分析薄壁筋板焊構件沿焊縫徑向的溫度分布，同時求解焊縫沿徑向和周向的殘余應力分布情況，以及殘余應力對蠕變變形的影響．結合上面的描述，本文選取間接法殘余應力分析為例，歸納出焊接殘余應力間接的計算流程圖（圖5）．具體建模流程如下：

（1）建立帶筋壁板的有限元模型，展開穩態模塊的熱分析，而后的處理中可觀察到沿徑向分布的溫度變化情況．

（2）將數字模型中的熱單元類型用與之相對應的具有蠕變參數的結構分析單元類型取代，建立力學參考庫，讀入不同時間時，各節點上以體載荷的方式施加到數字模型中的溫度載荷，然后定義合理的邊界約束條件，最后進行結構蠕變非線性求解．

（3）利用通用后處理器POST1根據需要定義路徑，觀察并分析整個結構沿徑向和周向的應力大小及分布情況．

綜上所述，攪拌摩擦焊接是一項固相連接技術，在鋁合金航空制造領域有廣闊的應用前景．本文在介紹攪拌摩擦焊接工藝特點及結合蠕變時效技術典型應用的基礎上，闡述了當前鋁合金航空制造中存在的問題及解決方法．可得到以下結論：

（1）針對目前大型整體壁板在航空航天業的發展趨勢，開展將CAF與FSW相結合的技術應用于整體帶筋壁板的成形中，具有極大的理論研究價值與實際應用前景．

（2）回彈是整體帶筋壁板蠕變時效成形中的瓶頸問題．研究CAF整體帶筋壁板的有限元模擬分析方法，建立準確預測并降低帶筋壁板件時效成形后回彈的蠕變本構方程，為該技術的進一步工程化應用奠定必要的技術基礎．

（3）在ANSYS分析平臺上，其焊后殘余內應力計算流程，可用APDL語言編程實現．

（4）利用熱-結構順序耦合法建立的分析模型，可模擬焊接-蠕變時效帶筋壁板的殘余應力分布，并可與無焊接帶筋壁板產生的殘余應力的蠕變時效情況對比，比較FSW與銑削兩種工藝的優劣．

（5）該數值模擬方法的應用可以避免盲目的試驗，對于節約成本、縮短成形件的研發周期、優化產品的回彈參數與減少蠕變損傷程度具有很好的指導意義和參考價值．

大型整體帶筋壁板的生產制造是大飛機研制過程中的關鍵問題．FSW技術與CAF技術的結合是一種有效且嶄新的成形方法．目前為止，國內在此方面的研究甚少，幾乎還屬空白．針對全文描述，就回彈與殘余應力而言，應從以下方面進行深入研究：材料的蠕變本構模型、材料蠕變時效后的性能、材料在時效成形過程中以及回彈后的有限元模擬分析、焊接單元連接、生死單元、熱源數學模型、熱力學性能以及熱-應力場耦合過程模擬．

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（責任編輯：于開紅）

An ANSYS-based FSW component for process analysis and state of aging forming

ZUO Duquan1,2ZHAO Yingjie2SONG Mingcheng2SONG Yuanming2

The powerful analysis functions of residual stress and nonlinear creep aging in ANSYS provide a platform for welding simulation analysis, especially on the application of parametric design based on APDL language, it provides a condition for the realization of key welding simulation technology. This paper attempts to combine the new friction stirring welding (FSW) process and age forming (CAF) technology and takes 2A12 thin-rib plate as an example, describes building process of digital model and analysis process of residual stress simulation on the welding components based on the ANSYS environment. Moreover, its forming process and realization method are explored and analyzed. And the combination process of FSW and aging forming are prospected, and provides a theoretical basis for the deeply subsequent study on the numerical simulation and residual stress analysis of combining FSW and age forming under the environment of ANSYS.

friction stirring welding; aging forming; residual stress; spring-back; ANSYS

TG156.1

A

1009-8135（2016）03-0097-06

2016-01-02

左都全（1986-），男，四川綿陽人，重慶三峽學院教師，主要研究數字化設計制造及金屬材料成形．