鋁合金攪拌摩擦焊熱源模型建模專家系統

劉安 胡廣旭 董志波

摘要：在鋁合金攪拌摩擦焊三維體積熱源模型建模過程中，軸肩、攪拌針側面以及攪拌針底面摩擦產熱的熱流密度加載范圍存在不確定性，需校核確定，增加了建模難度。針對該問題，建立三維攪拌摩擦焊熱源模型，并確定其不確定熱源模型參數，研究了這些參數變化對焊縫溫度場的影響規律。在此基礎上，基于參數變化影響規律建立了攪拌摩擦焊熱源模型參數庫，設計了推理規則，形成實現快速建模的鋁合金攪拌摩擦焊熱源模型專家系統。基于攪拌摩擦焊實驗溫度場結果驗證了專家系統功能，該系統顯著降低了攪拌摩擦焊數值模擬建模難度，有利于促進鋁合金攪拌摩擦焊數值模擬技術的普及應用。

關鍵詞：攪拌摩擦焊;鋁合金;熱量;熱流密度;專家系統

0? ? 前言

攪拌摩擦焊（FSW）工藝是一種材料不熔化的摩擦焊接技術，其焊接工件溫度低、殘余應力變形小，廣泛應用于汽車、飛機、輪船等領域，尤其是在鋁合金焊接方面[1]。鋁合金在攪拌摩擦焊過程中，在不同焊接溫度場的作用下，二相粒子的析出物半徑、體積分數和種類不同，焊后時效過程存在差異，會影響材料性能[2]。因此針對鋁合金攪拌摩擦焊數值模擬，國內外研究者開展了廣泛研究[3-6]。研究人員進行了軸肩產熱和攪拌針產熱的計算公式研究[3-5]，但缺少摩擦產熱的體熱源作用范圍相關研究。鄢東洋等人[6]研究發現，在溫度場模擬中，軸肩面熱流密度隨軸肩半徑的增加呈線性增加，攪拌針產熱為均勻分布的體熱源模型形式加載，但未提及軸肩產熱的體熱源作用范圍，也沒有考慮塑性變形產熱。上述模擬研究與實際攪拌摩擦焊工藝存在一定差異。在實際攪拌摩擦焊過程中，通過摩擦作用產生的熱流密度作用于體積上，該體積位于工件與攪拌頭接觸表面的鄰域上[7]。在三維有限元建模時，采用六面體網格單元時，熱流密度加載至六面體網格單元的積分點上，此時需要確定三維體熱源模型的作用范圍，從而保證熱輸入實現建模。

基于上述，文中建立了三維攪拌摩擦焊體熱源模型，探索該熱源模型的熱流密度分布參數影響規律，校核參數，建立推理規則，并形成用于鋁合金攪拌摩擦焊熱源模型建模的專家系統。

1 攪拌摩擦焊體熱源模型不確定參數

攪拌摩擦焊的熱源由摩擦產熱和塑性變形產熱兩部分組成，摩擦產熱包括軸肩產熱、攪拌針側面產熱、攪拌針底面產熱三部分[4]。摩擦產熱示意如圖1所示，塑性變形產熱示意如圖2所示。

1.1 熱源模型參數

熱源模型參數定義：xlen—工件在x方向的長度;ylen—工件在y方向的長度;zlen—工件在z方向的長度;Qs—摩擦產生的總熱量;Qv—塑性變形產生的熱量;Qshoulder—軸肩產生的熱量;Qpin—攪拌針側面產生的熱量;Qpintip—攪拌針底面產生的熱量;γ—塑性變形產熱占總熱量的比例;τcontact—界面剪應力;n—轉速;ω—旋轉角速度， ω= （2πn）/60;ra—沿刀具軸線方向的徑向距離;δ—刀具工件面接觸類型， 0≤δ≤1;ro—軸肩半徑;ri—攪拌針半徑;hp—攪拌針高度;qshoulder—軸肩熱流密度;qpin—攪拌針側面熱流密度;qpintip—攪拌針底面熱流密度;qs—摩擦產熱的熱流密度;qv—塑性變形的熱流密度;Vp—塑性變形作用的體積;h1—積分點到軸肩面的距離;h2—積分點到攪拌針底面的距離;hshoulder—軸肩熱流密度作用的高度范圍;hpin—攪拌針側面熱流密度沿半徑方向作用的徑向距離;hpintip—攪拌針底面熱流密度作用的高度范圍。

1.2 摩擦產熱

1.2.1 摩擦產熱模型

設τcontact和δ為常數，參考文獻[4]可知 假設軸肩產生的熱量和攪拌針底面產生的熱量沿半徑、高度方向線性分布，攪拌針側面產生的熱量沿半徑方向線性分布，可得到摩擦產生的熱量在體積上進行分配的體熱流密度：

軸肩體熱流密度作用在軸肩與工件接觸面的鄰域上，攪拌針側面體熱流密度作用在攪拌針側面與工件接觸面的鄰域上，攪拌針底面體熱流密度作用在攪拌針底面與工件接觸面的鄰域上。為了將體熱流密度作用的范圍數量化，以工件的一個頂點為坐標原點，建立空間直角坐標系，并滿足整個工件都位于第一卦限和坐標平面上。

1.2.2 摩擦產熱模型不確定參數

摩擦產熱模型中描述軸肩、攪拌針側面、攪拌針底面與工件接觸面鄰域大小的參數具有不確定性，具體參數如表1所示。這些參數需要根據實驗結果通過專家系統進行匹配。

1.3 塑性變形產熱模型

2 參數規律

2.1 不確定性參數與焊縫形貌的聯系

攪拌摩擦焊的焊縫截面瞬態溫度分布形貌（簡稱焊縫形貌）用表2所示的參數進行描述。

進行16組數值模擬，通過對i、j、k的調節，間接實現對攪拌摩擦焊熱源方程中參數hshoulder、hpintip、 hpin的調節，獲取在不同參數下的Tmax、Lwidth、Ldeep。鋁合金攪拌摩擦焊熱源模型參數分組如表3所示。模擬1～7組研究i對焊縫形貌的影響，1、8～10組研究j對焊縫形貌的影響，1、11～16組研究k對焊縫形貌的影響。

2.2 有限元建模

使用有限元軟件進行建模，工件尺寸如表4所示，數值模擬參數如表5所示，γ、τcontact和δ的計算及取值參照文獻[4，8]，材料參數參照文獻[6]。

2.3 數值模擬結果

由16組數值模擬，可知Tmax、Lwidth、Ldeep隨i、j、k的變化趨勢。Tmax隨i、j、k的變化趨勢如圖3所示，Lwidth隨i、j、k的變化趨勢如圖4所示，Ldeep隨i、j、k的變化趨勢如圖5所示。

2.4 焊縫形貌隨不確定性參數的變化規律

i對Tmax、Lwidth、Ldeep的影響最大，Tmax、Lwidth、Ldeep隨i的增大而增大，i=6時Tmax、Lwidth達到最大值，隨后，Tmax和Lwidth隨i的增加有所下降。即hshoulder對Tmax、Lwidth、Ldeep的影響最大，Tmax、Lwidth、Ldeep隨hshoulder的增大總體上呈上升趨勢，Tmax和Lwidth達到最大值后會略微下降。

j對Tmax、Lwidth、Ldeep基本沒有影響。即hpintip對Tmax、Lwidth、Ldeep基本沒有影響。

Tmax、Ldeep隨k的增大而降低，k對Lwidth的影響很小。即Tmax、Ldeep的數值隨hpin的增大而減少，hpin對Lwidth的影響很小。

3 專家系統

3.1 攪拌摩擦焊專家系統

參照文獻[9]中的熔化焊熱源專家系統的建立方式，建立攪拌摩擦焊專家系統。

建立攪拌摩擦焊專家系統，是為了在給出的工件尺寸、材料屬性、旋轉角速度、焊接速度的條件下，準確匹配hshoulder、hpintip、hpin參數，使模擬的焊縫形貌與試驗相符。攪拌摩擦焊專家系統具有以下功能：

（1）系統根據攪拌摩擦焊工藝，選取該熱源模型。

（2）系統根據材料屬性、焊縫形貌，推理hshoulder、hpintip、hpin參數，對得到的參數進行建模仿真。若仿真結果與實驗值相符，則儲存參數;否則，對參數進行修正，直到仿真結果與實驗值相符。

（3）專家系統根據推理得到的參數，繪制攪拌摩擦焊的焊縫形貌。

攪拌摩擦焊熱源參數校核流程如圖6所示。

3.2 攪拌摩擦焊試驗數據庫

攪拌摩擦焊熱源模型參數推理的試驗數據庫是推理的基礎[9]。攪拌摩擦焊試驗數據庫如圖7所示。

3.3 攪拌摩擦焊熱源參數調整規則

i、j、k的端點取值與實際攪拌摩擦焊工藝存在差異，調節過程中，不取端點值。攪拌針底面產生熱量少，并且攪拌針底面和工件底面的距離小，即hpintip的影響可以忽略。j=2、j=3時，Tmax、Lwidth、Ldeep的值基本相同，取j=3，之后不再對j進行調節。根據攪拌摩擦焊的特性、鋁合金的熔點、i和k的參數規律、調節的次數等因素，i和k的初始取值定為i=4、k=4。Ldeep和Tmax具有相同的變化趨勢，根據Tmax和Lwidth對參數進行調節，即可得到合理的焊縫形貌，具體參數調節的推理引擎如圖8所示。

3.4 攪拌摩擦焊校核實例

采用表6的攪拌摩擦焊工藝參數進行6061鋁合金的焊接。Mohammad Riahi等人在沒有將摩擦產熱處理為體熱流密度的條件下進行數值模擬，得到：峰值溫度為553.2 ℃，焊縫寬度為21 mm，焊縫深度為6.35 mm[10]。從基準參數到獲取最佳參數共經歷4次取值。熱源校核結果如表7所示。

使用不同工藝參數、不同種類的鋁合金多次建模，并通過實驗進行驗證，建立的鋁合金攪拌摩擦焊熱源模型專家系統與實際的攪拌摩擦焊工藝相符。

4 結論

（1）鋁合金攪拌摩擦焊熱源建模過程中，將攪拌頭與工件表面摩擦產生的熱量在與接觸面相鄰的一定鄰域的體積上進行分配，并給出了體熱流密度的公式。

（2）確定了熱源方程中的各個參數對Tmax、Lwidth、Ldeep的影響規律，并確定了hshoulder為最主要的影響參數。

（3）對熱源方程中具有不確定性的參數hshoulder、hpintip、hpin建立了專家系統，確定了推理引擎。通過攪拌摩擦焊實例，證明了體熱流密度公式和專家系統確定參數的合理性。

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