超聲輔助攪拌摩擦焊仿真分析及實驗?

張 軒 劉小振 吳思楠 傅 波

(1 四川大學機械工程學院 成都 610065)

(2 四川大學宜賓產業技術研究院 宜賓 644000)

0 引言

攪拌摩擦焊(Friction stir welding,FSW)誕生于20 世紀末的英國，該工藝適用于焊接熔點比較低的輕金屬，與傳統的焊接工藝相比較，具有成本低、不易出現裂紋，更加環保等優勢。但是，FSW也存在軸向壓力和前進阻力大、容易出現未焊透的現象等缺點[1-2]。因此，研究者們嘗試在FSW 中添加輔助工藝來提高焊接質量[3]。以往的研究中發現在超聲能場的作用下，金屬屈服應力會產生明顯降低[4-5]，該發現使得超聲輔助攪拌摩擦焊(Ultrasonic assisted friction stir welding,UAFSW)成為了FSW 的主要研究方向之一[6]。超聲波的引入能有效緩解焊接過程中軸向壓力過大、焊接速度低等問題。研究表明，在FSW 過程中加入超聲振動，能夠減少材料變形所需能量，從而降低焊接載荷、提高焊接速度，對焊接質量也有較大改善[7-9]。

由于FSW 的優點，國內外學者對其進行了較為深入的研究。文獻[10-12]深入探究了FSW 加工的工藝過程和基本原理，論述了不同的焊接參數，如焊接速度、旋轉速度、攪拌針半徑等對FSW 焊接質量的影響。文獻[13]提出了聲軟化效應，探究了將超聲引入塑性材料時對材料的屈服點的影響，在此基礎上文獻[14-16]對UAFSW 進行了理論與實驗，與傳統的FSW對比分析顯示，UAFSW能有效提高焊接質量。

基于以上研究，本文設計了一種集攪拌頭和縱扭振動超聲換能器為一體的UAFSW 工具頭，對UAFSW 進行溫度場、流體場以及聲場進行了仿真分析，探索不同工藝參數對焊接質量的影響，最后進行了實驗研究，通過控制變量法改變不同焊接參數進行UAFSW 實驗，對比每組樣品的焊接質量，尋找最優的焊接參數。

1 UAFSW工作原理

UAFSW 是一種基于傳統FSW 焊接方式的復合加工技術，其工作原理如圖1所示。在UAFSW焊接過程中，軸肩和攪拌針按照給定的轉速沿焊縫方向行走，同時超聲換能器產生的高頻扭振增強攪拌針和母材間高速摩擦，隨著攪拌頭的轉動，進入超塑性狀態的材料在軸肩的頂端作用下產生材料間的融合，實現焊件的連接。UAFSW 所需的縱扭振動可以通過在換能器變幅桿上添加螺旋溝槽來實現。

在UAFSW 焊接時焊件受到兩種力的共同作用，一種是垂直于焊接面的預壓力，另一種是攪拌針產生的平衡于焊接面的摩擦力。該技術的關鍵點在于通過縱扭超聲振動換能器加強攪拌針對焊接區域產生攪動作用，增強了金屬的軟化效果，降低了工件焊接處的屈服點和流動應力，從而細化了攪拌區的晶粒，改善了傳統FSW焊接的缺陷。

2 UAFSW工具頭設計與振動特性分析

UAFSW 工具頭是UAFSW 接系統的核心部件，由縱扭超聲振動換能器和攪拌頭組合而成。超聲振動換能器的作用是將電能轉化為機械能，并將其傳遞給攪拌頭。超聲換能器由后蓋板、壓電陶瓷片、電極片、預應力螺栓、絕緣套筒、前蓋板和變幅桿組成。由于UAFSW 中振動系統不宜過長，將變幅桿和前蓋板設計為一體，變幅桿前端通過螺紋連接和攪拌頭(由軸肩和攪拌針組成)組成一體，具體結構如圖2所示。

2.1 模態分析

對UAFSW工具頭的前35階模態進行求解，在各階模態中尋找縱扭振動模態。如圖3所示，在模態分析的第30階找到了換能器的縱扭模態，該模態基本符合設計要求，在法蘭盤處振幅最小，攪拌頭頂端振幅達到最大，振動頻率為20099 Hz，法蘭盤處振幅接近為0，攪拌頭處振幅達到最大，符合設計要求。

圖3 UAFSW 模態振型Fig.3 Modal shape of UAFSW

2.2 諧響應分析

對UAFSW 工具頭進行諧響應分析可以獲得其在電流激振狀態下的頻率與位移特性曲線，從而獲得不同頻率下的最大振幅。圖4 為UAFSW 工具頭的諧響應位移云圖，從圖中可以看出UAFSW 工具頭在100 V 電壓下最大振幅可達2.41×10-5m。圖5 為攪拌頭末端中心點在X、Y、Z三個方向上的振幅與頻率的關系圖，觀察可知UAFSW 工具頭在頻率20100 Hz 附近達到最大振幅，且3 個方向都存在位移，即UAFSW工具頭既存在較大的縱向振動，又存在垂直于軸向的扭動。

圖4 UAFSW 工具頭位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of UAFSW

圖5 攪拌頭末端中心點的振幅與頻率曲線Fig.5 Amplitude and frequency curves at the end of the stirring head

3 UAFSW的物理場分析

UAFSW過程是一個集溫度場、流體場、聲場為一體的多物理耦合場，將三者耦合在一起分析很困難，因此本文將UAFSW 過程分為3 個相對獨立的物理場模型來完成仿真分析，即UAFSW 的溫度場仿真、流體場仿真和聲場仿真分析。

3.1 溫度場分析

物體之間的熱量流動是由物體間的溫度梯度決定的。在UAFSW 中，既存在工件表面與外部空氣的熱對流和熱輻射，也存在工件內部和工件與外部接觸的熱傳導。

圖6 為焊接過程熱分析的幾何模型，工件模型為尺寸40 mm×60 mm×5 mm 的6061 鋁合金板材，其前后側設置兩個無限域，即認為鋁板為無限長，忽略板前后邊緣附近的影響。上下表面及兩側面設為熱對流和熱輻射面，上表面和側面由于與周圍空氣直接接觸，存在自然對流和表面對環境的熱輻射散熱。圖7 為模擬得出的4 組在不同的轉速和焊接速度下工件表面溫度分布云圖。

圖6 熱分析幾何模型Fig.6 Geometric model of thermal analysis

圖7 不同轉速和焊接速度時的溫度分布圖Fig.7 Cloud diagram of workpiece surface temperature distribution

從圖7 中可以看出，在焊接速度v不變的情況下，溫度梯度基本不變，相同焊接速度的溫度分布情況相差不大，隨著轉速n的提高，整體溫度逐漸上升；當轉速n不變時，隨著焊接速度v的提高，焊縫處溫度逐漸降低，且溫度從攪拌頭附近向四周降低的溫度梯度增大，即單位距離上的溫度差變大。從仿真的結果可以看出，攪拌頭轉速是影響焊接區域溫度的主要因素。

6061 鋁合金的熔點大約在582?C，一般認為金屬在達到熔點的80%時塑性狀態較為良好，因此6061 鋁合金的最佳焊接溫度應在465.6?C 附近，即熱力學溫度約為739 K。攪拌頭轉速過大會導致UAFSW 熱輸入量過大，溫度超過塑性流動的最佳溫度739 K，甚至接近工件的初始熔化溫度，從而導致焊接表面起皮，部分金屬材料溢出攪拌頭軸肩還會生成飛邊、毛刺等缺陷，溫度過高也會導致超聲振動系統升溫過快，影響超聲振動的穩定輸出；轉動速度過低會導致熱輸入量不足，使達到塑性流動狀態的材料減少，造成“隧道型”孔洞等缺陷。而焊接速度過大會導致單位長度上熱輸入量的不足，導致焊接區域由于塑性流動不足而產生表面溝槽、未焊透、裂紋等缺陷；焊接速度過低會導致焊接溫度高于塑性流動的最佳溫度，造成飛邊等缺陷，同時，焊接速度直接影響到焊接的效率，焊接速度過低會造成焊接效率低下，焊接成本提高。

根據以上仿真分析結果，選取攪拌頭轉速為900 r/min，焊接速度為1.4 mm/s，在該參數下攪拌區的體平均溫度為748 K，最高溫度為849 K，該溫度下既不會出現材料的局部熔化，也不會造成塑性流動不足的情況。

3.2 流體場分析

UAFSW過程中的材料流動是一種典型的黏性流體。在對UAFSW 進行流體分析時，忽略材料的體積和密度的變化，將流體看作是不可壓縮的流體。圖8 為UAFSW 攪拌區域的邊界模型圖，工件與攪拌頭軸肩和攪拌針接觸的區域設為旋轉面，旋轉速度為900 r/min，邊界條件選擇無滑移邊界進行仿真分析。

圖8 FSW 流場邊界示意圖Fig.8 Boundary diagram of FSW flow field

圖9 為攪拌頭在距離攪拌區上表面0.5 mm、1 mm、4 mm 及5 mm 位置處的速度矢量圖，從圖9中可以看出，距離上表面越近受到攪拌頭軸肩的影響越大，外圈的速度明顯大于內圈，隨著沿軸向的不斷深入，攪拌頭軸肩的影響逐漸減小，流體內圈速度大于外圈速度，且流體的流速明顯下降。由于攪拌針長度為4 mm，距離上表面5 mm處的材料流動緊靠分子間的內摩擦，材料流動已經非常微弱，最高流速出現在距離中心約一個攪拌針小徑處的位置，且最高速度不超過0.0284 m/s，因此鋁合金板材不宜過厚，否則在實際焊接過程中會出現“未焊透”現象，本文選取的6061 鋁合金的板材厚度為5 mm。

圖9 距攪拌區上表面不同位置處的速度矢量圖Fig.9 Velocity vectors at different positions on the upper surface of the stirring zone

3.3 超聲軟化模型與聲場分析

3.3.1 超聲軟化模型的建立

UAFSW加工過程中工件材料的軟化主要包括高溫軟化和超聲軟化，其中高溫軟化對工件的軟化占主導地位，超聲軟化可以在高溫軟化的基礎上減小材料的屈服應力。材料的軟化表達式如下：

其中，R為軟化后的屈服強度；RT為焊接溫度下材料的屈服強度[17]，α為超聲軟化率。

材料的軟化效果主要表現為屈服強度的下降，本文通過材料軟化率來表征超聲對材料軟化的影響，對于鋁合金，超聲軟化率[18]公式如下：

其中，I為聲強(W/m2)。通過COMSOL 軟件對UAFSW 的聲場進行模擬，分析UAFSW 過程中的聲壓分布，根據以下公式求得相應的聲強值：

其中，P為聲壓幅值(Pa)；ρ為密度(kg/m3)；v為超聲在工件中的傳播速度(m/s)。

3.3.2 聲場分析結果

UAFSW 在頻率20000 Hz 時工件表面的聲壓分布如圖10所示，在同一位置的不同時刻聲壓值存在周期性變化，其中攪拌頭附近的聲壓幅值最高，達8.45×105Pa。

圖10 工件表面聲壓分布圖Fig.10 Distribution of sound pressure on workpiece surface

對工件中的聲壓進行提取，根據公式(3)計算出對應的聲強值，為了更加直觀地觀察工件內部的聲強分布情況，將工件下表面設置為Z=0 mm，則工件表面處Z=5 mm，分別將Z為0 mm、1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm 處的聲場強度繪制成三維立體圖，如圖11 所示。從圖11 中可以看出，在某一時刻，工件內部的聲強既存在波峰也存在波谷，由于工件內部存在聲阻抗，聲強幅值從攪拌中心向四周逐漸降低，工件上表面的聲強明顯高于其他截面。

圖11 不同深度處的聲場強度Fig.11 Intensity of sound field at different depths

對UAFSW 攪拌區域的聲場強度求取平均值為3.5×104W/m2，將平均聲場強度代入公式(2)即可估算出超聲對攪拌區域塑性金屬的軟化率約為91%。

4 實驗研究

4.1 UAFSW焊接實驗

將加工裝配好的UAFSW 工具頭裝夾在機床主軸上，對規格為100 mm×50 mm×5 mm的6061鋁合金板材樣件進行焊接實驗研究。如表1 所示，UAFSW實驗共設有1組對照組和5組實驗組，對照組的焊接參數來自于仿真分析，對應加載超聲、焊接壓力、焊接速度、轉速和攪拌頭軸肩半徑設置了5組實驗組，實驗探究不同焊接參數對焊接質量的影響。圖12為按照表1的加工參數完成UAFSW焊接后的樣件。

表1 實驗參數Table 1 Experimental parameters

圖12 實驗樣件Fig.12 Experimental samples

4.2 實驗結果分析

觀察如圖13 所示的實驗組I 與對照組可以發現，焊縫處均能形成良好的焊接表面，只是沒有加入超聲時焊接表面比較粗糙，且有細小的起皮現象，而加入超聲后焊縫表面比較光滑，只有細微的攪拌頭留下的劃痕，說明超聲振動的加入能夠減小攪拌頭與工件材料的摩擦力，防止焊縫材料與攪拌頭發生粘連，從而起到改善表面質量的效果。

圖13 實驗組I 與對照組焊縫放大圖Fig.13 Enlarged view of weld between experimental group I and control group

觀察如圖14 所示的實驗組II 與對照組的焊縫可以發現，增大攪拌頭對待焊工件的軸向壓力，可以有效改善表面光潔度，但是壓力過大會導致焊縫處溫度上升過快，甚至接近工件的液相線溫度，使得攪拌區出現了局部熔化的現象，并且過大的軸向壓力會將這些熔化的金屬擠出軸肩，在焊縫邊緣生成大量飛邊。

圖14 實驗組II 與對照組焊縫放大圖Fig.14 Enlarged view of weld between experimental group II and control group

觀察如圖15所示的實驗組III 與對照組焊縫可以看出，焊接速度過大會導致焊縫表面形成較深的溝槽，這是因為焊接速度過大時，焊接區域的材料沒有得到充分的塑性流動，塑性變形的材料來不及將攪拌頭后方的空間完全填充，在焊縫處留下溝槽。

圖15 實驗組III 與對照組焊縫放大圖Fig.15 Enlarged view of weld between experimental group III and control group

觀察如圖16 所示的實驗組IV 與對照組焊縫可以看出，攪拌頭轉速過低，導致焊縫處熱輸入量不足，材料流動不充分，在表面形成了大量褶皺，甚至出現了細微溝槽。但是轉速也不宜過大，轉速過高會導致熱輸入量過大，造成與實驗組II類似的缺陷。但是，與FSW 相比，UAFSW 可以適當提高攪拌頭的轉速，這是由于在超聲減摩的作用下，攪拌頭會降低和工件材料的粘連，從而減少起皮現象的發生。

圖16 實驗組IV 與對照組焊縫放大圖Fig.16 Enlarged view of weld between experimental group IV and control group

觀察圖17 可以發現，在其他參數相同的情況下，更換軸肩較小的攪拌頭會使焊接質量明顯下降。這是由于在焊接參數相同的情況下，小軸肩的攪拌頭由于摩擦產熱量不足，材料流動不充分導致缺陷的產生，因此在采用小軸肩焊接時應適當加大攪拌頭轉速，減小焊接速度。

圖17 實驗組V 與對照組焊縫放大圖Fig.17 Enlarged view of weld between experimental group V and control group

5 結論

(1) 在傳統的FSW 攪拌頭上疊加縱扭超聲振動換能器構成UAFSW 攪拌頭，可以加強攪拌頭對工件焊接區域的攪動作用，增強金屬的軟化效果，降低工件焊接處的屈服點和流動應力，細化攪拌區的晶粒，改善傳統FSW焊接缺陷。

(2)UAFSW物理場仿真表明，攪拌頭轉速是影響焊接區域溫度的主要因素。在相同的焊接速度下溫度分布相差不大，但隨著轉速的提高整體溫度逐漸上升；在相同的轉速下，焊縫處溫度隨焊接速度的提高逐漸降低，且溫度從攪拌頭附近向四周降低的溫度梯度增大；在UAFSW 加工中，超聲對攪拌區域塑性金屬的軟化率可達91%。

(3) 實驗研究表明縱扭超聲的引入能夠獲得較好的焊接表面，且能夠有效降低實驗過程中的前進阻力。對于本文研究的焊接樣件，最佳的UAFSW焊接參數為：焊頭轉速900 r/min，焊接速度1.4 mm/s，軸向壓力2.6 kN，超聲功率100 W。