6061鋁合金攪拌摩擦焊接頭失效行為仿真方法研究

朱學武 張鵬 楊航 楊化偉

（1.中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013；3.汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙410082）

1 前言

隨著國內(nèi)新能源汽車產(chǎn)量的逐年增加[1]，鋁合金材料在汽車中應用越來越多。攪拌摩擦焊是一種新型固相連接技術(shù)，同傳統(tǒng)的熔化焊相比，攪拌摩擦焊有焊縫晶粒小，接頭力學性能良好，焊接時無煙塵、無飛濺、焊后殘余應力小等優(yōu)點，在鋁合金焊接中得到了廣泛應用[2]。

通過工藝仿真，可以得到攪拌摩擦焊焊接過程中的溫度場、等效塑性變形場分布以及材料流動情況，幫助工程師提升對攪拌摩擦焊機理的理解，同時也能對焊接參數(shù)的選擇提供依據(jù)[3]。然而，對于攪拌摩擦焊在整車碰撞模型中的接頭力學性能表征仍有需要研究的內(nèi)容。同時，整車模型中模擬接頭等效單元的大小和范圍決定了在碰撞分析中的精度和計算成本。為保證計算效率一般不采用網(wǎng)格尺寸過小的精細模型，因此以精細模型為參照建立等效模型十分必要。

本研究建立攪拌摩擦焊接頭拉伸樣件的精細模型，該模型對焊接接頭攪拌區(qū)域進行精確劃分，并通過試驗驗證精細模型的有效性。為保證整車碰撞計算效率，提出一種將精細模型轉(zhuǎn)化為等效簡化模型的方法，將精細模型的材料屬性、焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的區(qū)域劃分簡化后賦予等效模型，保證等效模型能夠準確地模擬連接處的強度特性以及接頭失效模式。簡化模型的仿真峰值力與試驗結(jié)果一致性較好，表明等效模型在整車碰撞模型中可以準確表征攪拌摩擦焊接頭力學性能。

2 精細模型搭建

2.1 焊接接頭試樣試驗

試驗采用3 mm厚的6061-T6鋁合金薄板對接接頭。根據(jù)Nandan R，Debroy T等的研究結(jié)果[4]，對于3 mm厚鋁合金板材，攪拌摩擦焊的合理參數(shù)范圍為攪拌頭轉(zhuǎn)速在800～1 500 r/min，焊接速度在300～1 200 mm/min。本研究采用工藝參數(shù)為攪拌頭轉(zhuǎn)速1 200 r/min，焊接速度為800 mm/min。

為獲取焊接接頭力學性能，采用準靜態(tài)拉伸試驗對接頭力學性能進行評估，將焊接樣板按GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》切割成標準準靜態(tài)拉伸試樣，尺寸如圖1所示。在26℃室溫條件下，以5 mm/min的速度在Instron3309力學試驗機上對接頭樣件進行拉伸試驗，獲取載荷-位移曲線。

圖1 拉伸試樣尺寸（單位：mm）

2.2 焊接接頭力學性能

攪拌摩擦焊是一種熱輸入很低的焊接方式[5]，最高溫度始終低于母材熔點。6系鋁合金屬于可熱處理材料，焊接過程產(chǎn)生的熱量仍會影響到材料性能。不同于熔焊，攪拌摩擦焊過程中還存在材料劇烈變形，故焊接完成后材料性能及組織會發(fā)生相應變化。攪拌摩擦焊接頭由焊核區(qū)、熱機影響區(qū)、熱影響區(qū)以及母材組成。可以看出，不同區(qū)域的力學性能均有所下降，這是由于焊接發(fā)熱導致6061-T6鋁合金中的增強相熔化或粗化所導致。在焊核區(qū)由于受到攪拌頭攪拌和摩擦作用，溫度最高、變形最為劇烈，產(chǎn)生了動態(tài)再結(jié)晶，晶粒得到細化，從而緩解了熱沖擊導致的性能下降。熱機影響區(qū)位于焊核區(qū)邊緣，相比焊核區(qū)，受到的攪拌作用較弱，晶粒細化效果有限，而受到的熱沖也比較大，所以性能最低。熱影響區(qū)僅受到溫度的影響，距離焊縫越遠，材料性能損失越少并逐漸接近母材性能。由于熱機影響區(qū)范圍較小且對接頭力學性能起決定性作用的是材料性能損失最嚴重的焊核區(qū)，所以在仿真模型中將熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)劃分到一起。

2.3 精細模型搭建

為了驗證攪拌摩擦焊接頭模型的力學性能，需要先建立精細模型，在精細模型中對于焊接接頭的不同區(qū)域進行精確劃分和材料分配，有利于獲得更為準確的仿真結(jié)果。

根據(jù)標準拉伸樣件尺寸使用Hypermesh建立精細模型，網(wǎng)格采用0.6 mm實體單元。由于攪拌摩擦焊成形質(zhì)量很好，焊縫無余高焊根，所以焊接接頭拉伸試樣與母材準靜態(tài)拉伸試樣在形狀上無差異，只在試樣中間劃分了焊核區(qū)和熱影響區(qū)域，如圖2所示。

圖2 精細模型

鋁合金的焊接件力學性能可以由硬度來表征，材料的硬度和抗拉強度正相關(guān)，所以焊縫的區(qū)域可以根據(jù)硬度曲線來劃分。由攪拌摩擦焊焊接試樣拉伸試驗可知，試樣均在焊縫處失效，前進側(cè)和后退側(cè)的溫度差異對于焊接件的失效位置影響較小，在整車模型中由于網(wǎng)格尺寸要遠大于精細模型中的尺寸，前進側(cè)和后退側(cè)的差異可忽略。

根據(jù)圖3硬度曲線可知，焊核區(qū)范圍約為10 mm，材料性能損失區(qū)域總寬度約為17 mm。

圖3 焊接接頭硬度曲線

從圖4焊接接頭攪拌區(qū)形狀可見，攪拌區(qū)是一個碗狀區(qū)域，最小寬度為5.32 mm，與硬度曲線對應的范圍有差異。

圖4 焊接接頭攪拌區(qū)形狀

從圖5工藝仿真的溫度云圖可見，溫度470℃左右的范圍大致與硬度曲線中性能降低區(qū)域一致。這是因為攪拌區(qū)是攪拌頭擠壓旋轉(zhuǎn)作用的區(qū)域，而攪拌頭近似于圓臺狀，所以接頭攪拌區(qū)的形狀近似于碗狀，但是焊核區(qū)還包括攪拌區(qū)附近的高溫區(qū)域，攪拌區(qū)只是焊核區(qū)的一部分。

圖5 工藝仿真溫度云圖

結(jié)合硬度曲線和工藝仿真溫度云圖，對精細模型中熱影響區(qū)和焊縫區(qū)進行劃分，根據(jù)工藝仿真溫度云圖將焊縫劃分成三部分，分別為焊縫Ⅰ，焊縫Ⅱ，焊縫Ⅲ，如圖6所示。

圖6 精細模型區(qū)域劃分

拉伸試驗工況較簡單，仿真的精確度只與試樣尺寸、網(wǎng)格大小、材料參數(shù)以及區(qū)域劃分有關(guān)。試樣尺寸以及網(wǎng)格大小在建模時可以確定，所以影響結(jié)果準確度的就是材料參數(shù)以及區(qū)域劃分。區(qū)域劃分已由硬度曲線以及工藝仿真溫度云圖確定，由于焊接時的熱輸入對于材料的彈性模量幾乎沒有影響，所以對于不同區(qū)域的材料參數(shù)只改變塑性段。對于性能降低區(qū)域材料參數(shù)的確定，通過測量焊接溫度場劃分各區(qū)域的范圍，再通過拉伸試驗獲取不同區(qū)域的材料參數(shù)。不同區(qū)域材料失效參數(shù)是在母材失效參數(shù)基礎上由拉伸試驗標定獲得。

3 精細模型試驗驗證

3.1 精細模型變形失效仿真及試驗對標

攪拌摩擦焊是通過攪拌頭將兩個工件的材料攪動到一起實現(xiàn)連接，同時攪拌頭的軸肩會壓入材料，所以焊縫的厚度要低于其他區(qū)域，同時焊縫區(qū)域溫度最高，材料性能損失最嚴重，故攪拌摩擦焊焊接試樣會在焊縫處斷裂失效。從圖7可看出，試樣是沿著焊縫Ⅱ區(qū)域斷裂，且位于焊縫邊緣的熱機和熱影響區(qū)域，仿真與試驗的失效模式一致。

圖7 失效位置

焊接試樣等效塑性應變云圖如圖8所示。當拉伸到t=0.3 ms時，試樣開始出現(xiàn)塑性變形，最大等效塑性應變?yōu)?.004594，位于焊縫Ⅱ處；當t=2.5 ms時，試樣開始出現(xiàn)明顯頸縮，最大等效塑性應變?yōu)?.3128；當t=2.9 ms時，焊縫單元開始失效刪除，最大等效塑性應變?yōu)?.086；當t=3.3 ms時，試樣完全斷裂。

圖8 等效塑性應變云圖

3.2 精細模型拉伸變形力仿真及試驗對標

接頭在拉伸工況下仿真與試驗的載荷-位移曲線如圖9所示。拉伸工況下仿真模型最大峰值力為8.22 kN，試驗測得最大峰值力為8.25 kN，通過軟件計算得兩條曲線的擬合度為91.4%，滿足精度要求。試驗曲線沒有明顯的彈性段，這是因為接頭材料受到熱影響后性能會降低，且是連續(xù)變化的，但是在仿真中，不同區(qū)域的材料性能是不連續(xù)的，所以會出現(xiàn)曲線中部有差異。

圖9 拉伸工況下載荷-位移曲線

4 等效模型搭建

4.1 等效模型搭建

傳統(tǒng)焊接接頭模擬方法包括rigid剛體單元、共節(jié)點、單根梁單元、多根梁單元、實體焊點單元等。攪拌摩擦焊接頭的連接方式是對接，連接區(qū)域是一條焊縫而不是多個連接點，所以對于攪拌摩擦焊接頭的等效模型，本研究確定的表征方式是采用殼單元并賦予各區(qū)域不同材料屬性。

在等效模型中，受制于單元類型和網(wǎng)格尺寸，無法實現(xiàn)精細模型中的精確分區(qū)，所以在等效模型中將性能相近的區(qū)域合并。為避免模型由于簡化造成強度高于精細模型，將合并的區(qū)域賦予精細模型中相應區(qū)域材料性能最弱的參數(shù)。根據(jù)精細模型仿真結(jié)果可知，失效位置位于焊縫處，所以在等效模型中將焊縫Ⅱ、焊縫Ⅲ合并成焊縫區(qū)，賦予焊縫Ⅱ的材料屬性；將焊縫Ⅰ與熱影響區(qū)合并成熱影響區(qū)，賦予焊縫Ⅰ材料。等效模型中的焊縫、熱影響區(qū)尺寸范圍如圖10所示。等效模型中網(wǎng)格尺寸為3 mm。

圖10 等效模型區(qū)域劃分

4.2 網(wǎng)格尺寸對仿真精度影響

本研究等效模型的網(wǎng)格尺寸為3 mm，在此基礎上，將網(wǎng)格尺寸設為2 mm、4 mm、5 mm、6 mm作為對比。不同網(wǎng)格大小的力與位移曲線如圖11所示。當網(wǎng)格尺寸為2～4 mm時，曲線無明顯差異，當網(wǎng)格尺寸增加到5 mm時，最大峰值力沒有明顯差異，但是斷裂位移有明顯增加，故焊縫處網(wǎng)格尺寸不能大于4 mm。

圖11 不同網(wǎng)格尺寸力與位移曲線

5 等效模型試驗驗證

5.1 等效模型變形失效仿真及試驗對標

等效模型不同于精細模型的詳細劃分，焊縫區(qū)域簡化成長方形，所以斷裂會在焊縫的中心，如圖12所示。段裂位置大致與試驗結(jié)果一致，均位于焊縫處，只是分別在焊縫的中心和一側(cè)。

圖12 失效位置對比

等效模型的等效塑性應變場如圖13所示。當t=0.3 ms時，試樣開始產(chǎn)生塑性應變，位于焊縫，最大等效塑性應變?yōu)?.004 019，時間、應變值均與精細模型一致；當t=2.3 ms時，試樣開始出現(xiàn)明顯頸縮，熱影響區(qū)也開始出現(xiàn)塑性變形，最大等效塑性應變?yōu)?.166 4；當t=3 ms時，模型單元開始失效刪除，此時最大等效塑性應變?yōu)?.236；當t=3.1 ms，試樣完全斷裂失效。

圖13 等效塑性應變場

5.2 等效模型拉伸變形力仿真及試驗對標

等效模型仿真結(jié)果與精細模型仿真結(jié)果、試驗結(jié)果的力與位移對比曲線如圖14所示。峰值力分別為8.25 kN、8.22 kN、8.27 kN，通過軟件算得等效模型曲線與試驗曲線的擬合度為86.1%，滿足精度要求。等效模型力與位移曲線中部與精細模型和試驗都有較大差異，原因是等效模型分區(qū)更少，材料性能分布差異更大。

圖14 力與位移曲線

6 結(jié)論

根據(jù)拉伸試驗試樣尺寸及工況，建立了攪拌摩擦焊接頭失效的精細模型。綜合硬度曲線和工藝仿真溫度云圖，對精細模型中熱影響區(qū)和焊縫區(qū)進行劃分，對不同區(qū)域賦予合理的材料參數(shù)。精細模型的仿真峰值力、失效模式與試驗結(jié)果的一致良好，通過軟件計算得仿真和試驗力-位移曲線的擬合度為91.4%。為滿足整車碰撞工況中計算效率需求，根據(jù)精細模型的材料屬性和焊縫區(qū)、熱影響區(qū)的劃分建立了等效模型，等效模型仿真峰值力與試驗結(jié)果接近，通過軟件計算得仿真和試驗力-位移曲線的擬合度為86.1%。研究結(jié)果表明，本次建立的等效模型可以表征攪拌摩擦焊接頭力學性能，滿足整車CAE仿真精度要求。