攪拌摩擦焊刀具承載能力數(shù)值模擬

夏衛(wèi)生，夏盼盼，楊 帥，楊云珍

（1.華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢 430074；2.武漢理工大學汽車工程學院，湖北武漢430070）

0 前言

攪拌摩擦焊過程中刀具橫向力為焊接質(zhì)量的在線檢測指標，該值應在合理范圍內(nèi)以獲得無缺陷焊縫[1]。因此，通過監(jiān)控刀具橫向力，調(diào)整焊接參數(shù)能夠有效避免焊接缺陷的產(chǎn)生，并防止刀具發(fā)生劇烈磨損或斷裂。然而，由于刀具的旋轉(zhuǎn)運動和進給運動及其周圍工件材料的劇烈塑性變形，刀具橫向力難以通過實驗手段測定[2]。采用數(shù)值模擬方法研究攪拌摩擦焊過程中的刀具橫向力具有重要意義。

攪拌針是刀具中最脆弱部分，在攪拌摩擦焊接厚板或高強合金時，不合理的刀具結(jié)構(gòu)、刀具材料或者工藝參數(shù)均會導致刀具斷裂[3]，需分析刀具承載能力。目前刀具承載能力的分析主要基于固體力學法[4-6]，未考慮刀具側(cè)邊力對承載能力的影響。

本研究基于Fluent流固耦合模擬攪拌摩擦焊的熱-機械過程，將模擬的攪拌針溫度場和壓力場導入ANSYS中進行結(jié)構(gòu)分析，進一步研究刀具的承載能力。建模過程中，考慮刀具與工件之間熱傳遞以及刀具側(cè)邊力對其承載能力的影響。

1 Fluent流固耦合模型

1.1 模型建立

攪拌摩擦焊Fluent模型如圖1所示，其考慮了刀具與工件之間的熱傳遞作用和刀柄對刀具的冷卻作用，能夠更好地模擬攪拌摩擦焊過程中的溫度場分布。AA6061鋁板尺寸457mm×279mm×9.53mm。刀具尺寸、刀柄夾持位置及熱電偶測量位置如圖2所示。

圖1 攪拌摩擦焊Fluent模型Fig.1 Fluentmodel of FSW

圖2 刀具結(jié)構(gòu)及熱電偶測溫位置Fig.2 Tool geometry and thermocouple locations

AA6061鋁合金和H13鋼的熱性能參數(shù)如表1所示。刀具旋轉(zhuǎn)速度恒定為650 r/min，焊接速度分別為1.69mm/s、3.39mm/s和5.08mm/s。模型驗證實驗及結(jié)果見參考文獻[7]。

1.2產(chǎn)熱方程

當材料溫度接近熔點時，材料會發(fā)生巨大的軟化。因此，采用修正過的粘度公式，如式（1）～（3）所示[8-9]，并假定刀具與工件界面為純粘著狀態(tài)。

表1 材料熱性能參數(shù)Table 1 Thermal properties ofmaterials

當T＞Tm時，

式中 Ts為材料固相線溫度；Tm為材料軟化溫度；Q=145 kJ/mol，R=8.314 J/（mol·K），A=2.4×108，α=0.045/MPa，n=3.55。

攪拌摩擦焊過程中的熱量由刀具與工件的界面摩擦以及工件塑性變形產(chǎn)生。塑性變形產(chǎn)熱為[10]

式中 ε=0.05。

刀具與工件的界面摩擦產(chǎn)熱為[10]

式中 τ假定為材料的剪切流動應力[11]。

1.3 邊界條件

由于材料軟化和刀具施加的壓力作用，軸肩下工件底部的對流系數(shù)高于其他部分。刀柄內(nèi)部存在強冷卻作用，因此，刀具夾持部位的對流系數(shù)假定為15℃，其余均為25℃。相關(guān)熱傳遞系數(shù)如表2所示。

刀具橫向力計算公式為

式中 P為攪拌針側(cè)邊承受的壓力；τy為工件的剪切屈服強度。

表2 界面熱傳遞系數(shù)Table 2 Heat exchange coefficient of interfaces

2 FEM模型

攪拌針FEM模型如圖3所示。在攪拌摩擦焊過程中，攪拌針為最脆弱部分。將Fluent模擬的攪拌針溫度場和壓力場導入ANSYS進行結(jié)構(gòu)分析，模擬攪拌針在攪拌摩擦焊過程中的最大剪切力和安全系數(shù)，從而研究刀具的承載能力。其中刀具安全系數(shù)為刀具在焊接溫度下的剪切強度與刀具承受最大剪切力的比值。

圖3 攪拌針FEM模型Fig.3 FEM model of tool pin

3 實驗結(jié)果分析

3.1 溫度場分布

攪拌摩擦焊沿焊接方向溫度分布如圖4所示。可以看出，隨著焊接速度的降低，最高溫度增長非常小。這是因為降低焊接速度會導致材料軟化量增加，從而降低熱生成率。但增加焊接速度會導致單位長度熱生成量減少，因此刀具前方溫度梯度隨焊接速度的增加而增大。在刀柄夾持部位的刀具溫度較低，表明通過液態(tài)冷卻刀柄對刀具進行冷卻能夠有效減少流入到機床主軸中的熱量，避免對機床造成熱損傷。

圖4 攪拌摩擦焊沿焊接方向溫度分布Fig.4 Tem perature distributions of FSW along thewelding direction

3.2 模型驗證實驗

3.2.1 刀具溫度驗證

攪拌針根部與底部以及軸肩邊緣的測量溫度和模擬溫度如圖5所示，攪拌針根部與底部以及軸肩邊緣的模擬溫度與實驗結(jié)果基本一致。在攪拌摩擦焊過程中，熱量主要由軸肩與工件的摩擦作用產(chǎn)生，軸肩邊緣線速度較大，產(chǎn)熱較多，其溫度略高于攪拌針根部。由于刀柄的強冷卻能力，導致攪拌針根部和軸肩邊緣處的溫度均低于攪拌針底部的溫度。

3.2.2 刀具橫向力與刀具功率驗證

刀具橫向力理論與實驗對比如圖6所示。在650 r/min恒定轉(zhuǎn)速下，焊接速度的增加會導致刀具橫向力增加。這是因為隨著焊接速度的增加，單位長度焊縫的產(chǎn)熱量降低，材料軟化不充分，變形阻力增加。刀具橫向力的模擬值均在實驗值范圍內(nèi)。而刀具橫向力的模擬有助于選擇合理的機床，避免載荷超出主軸的承受范圍。

3.3 刀具承載能力分析

刀具最大剪切力和安全因子分布如圖7所示。可以看出，攪拌針在前進側(cè)前端靠近根部處的最大剪切力最大，最大剪切力隨焊接速度的增加而增加。刀具在旋轉(zhuǎn)和進給過程中，受到彎矩和扭矩作用。彎矩產(chǎn)生的正應力和剪切力以及扭矩產(chǎn)生的剪切應力，隨著距攪拌針根部距離的減小而增加。因此，從攪拌針的底部到攪拌針根部，最大剪切力逐步增加。

圖6 刀具橫向力理論與實驗對比Fig.6 Com parisons of tool transverse force between the experiments and simulations

圖7 刀具最大剪切力和安全因子分布Fig.7 Profiles of tool maximum shear stress and its safety factor

在攪拌摩擦焊過程中，前端材料受到攪拌針的擠壓作用，在攪拌摩擦的作用下流向后端，導致攪拌針前端和后端存在壓力差，因此前端的最大剪切力大于后端的最大剪切力。刀具在旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生馬格納斯效應，攪拌針會受到側(cè)邊力作用，從而導致前進側(cè)的最大剪切力大于后退側(cè)的最大剪切力。

隨著焊接速度的增加，材料軟化不充分，變形抗力增加，也會增加刀具最大剪切力，從而導致安全系數(shù)降低，刀具的承載能力下降。攪拌針根部處的安全系數(shù)最低，最容易發(fā)生斷裂。

4 結(jié)論

（1）建立FLUENT流固耦合模型仿真分析攪拌摩擦焊的熱機械過程，該模型能較準確地模擬刀具溫度與橫向力。

（2）攪拌摩擦焊的焊接速度對最大溫度影響較小，但對溫度梯度影響較大。

（3）采用ANSYS結(jié)構(gòu)分析模擬刀具的最大剪切應力和安全因子分布。增加焊接速度會導致材料軟化不充分，刀具最大剪切力增加，安全系數(shù)降低，刀具承載能力下降，在攪拌針前進側(cè)前端靠近根部處極易發(fā)生斷裂。

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