異厚板鋁合金攪拌摩擦焊的溫度場

楊霖

摘要：基于ABAQUS軟件對異厚度鋁合金板進行了攪拌摩擦焊溫度場數值模擬。結果發現，異厚板的溫度場區域形狀為半橢圓。由于兩板厚度不同，兩側的溫度場存在差異，說明軸肩摩擦熱是熱輸入的主要來源。通過對比模擬結果可知，隨著攪拌針轉速的增加及焊接速度的減小，焊板的最高溫度逐漸增大。

關鍵詞：鋁合金；攪拌摩擦焊；溫度場

1.引言

攪拌摩擦焊（FSW）技術是英國焊接研究所于1991年發明的一種新型焊接工藝。攪拌摩擦焊工藝被認為是近二十幾年來金屬連接工藝中最理想的發明之一，被評定為一種綠色工藝。攪拌頭由軸肩和攪拌針構成，是攪拌摩擦焊的關鍵部件，直接影響攪拌焊接中的熱輸入方式。

本文采用ABAQUS對2mm和1.5mm厚度的兩塊不同鋁合金薄板建立熱源模型并進行溫度場分析，推斷出不同焊接旋轉速度、焊接速度對異厚度鋁合金薄板的溫度場影響及其分布規律，為異厚板的FSW焊接變形提供理論支持。

2.仿真模型建立與驗證

2.1工件及工藝參數

實驗用鋁合金試件的尺寸為200mm×60mmx2mm，200mmx60mmx 1.5mm。攪拌頭為圓柱型，其軸肩直徑為12mm，攪拌針直徑6mm，高1.9mm，攪拌頭材質為高速鋼。焊接從焊縫邊緣20mm處開始，所用焊接參數如表1所示。

2.2模型網格劃分

本文取焊件整體進行分析。本文采用在焊縫附近區域使用結構網格劃分，中間的區域屬于過渡區域，密度略低，邊緣區域密度較小，劃分技術為掃掠網格劃分。圖1為異厚度鋁合金板網格劃分。

2.3邊界條件與熱源

FSW過程中主要的邊界條件主要包括：工件、墊板及壓板表面的熱對流和熱輻射。環境的初始溫度設為20℃。軸肩與工件的摩擦熱為面載荷加載到有限元模型中，攪拌針與焊件材料的摩擦熱處理為體熱源加載到有限元模型中。通過DFLUX子程序實現熱源的加載，把邊界條件加載到模型上。

3.計算結果和分析

攪拌頭轉速影響溫度場的分布，當焊接速度定為60mm/min時，攪拌頭轉速分別為600r/min，900r/min，1200r/min，異厚板溫度場的最高溫度分別為487.5℃、524.9℃、547℃。如圖2為1200r/min時的溫度場。

焊接速度影響熱量的大小，決定薄板溫度場的分布。固定攪拌針轉速為600r/min，攪拌頭旋轉速度分別為50mm/min，60mm/min，80mm/min，異厚板溫度場的最高溫度分別為512.6℃、487.5℃、401.6℃。

4.結語

（1）異厚板的溫度場區域均呈現為半橢圓形狀，且最高溫度出現在2mm焊板上，同時由于熱傳遞及攪拌的原因，1.5mm焊板溫度場區域總體上小于2mm焊板溫度場區域。

（2）同一焊接速度下，異厚板的最高溫度隨著攪拌針轉速的增大而增大。同一攪拌針轉速下，最高溫度隨焊接速度的增加而降低。且由于熱源大小的不同，使得異厚板兩板的溫度場存在差異。