攪拌頭傾角對鋁合金FSW過程傳熱傳質的影響

翟 明 武傳松 石 磊 宋宏圖

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081；2.材料液固結構演變與加工教育部重點實驗室，山東大學，濟南 250061）

1 引言

為了實現節能降耗、提質增效的目標，航空航天、軌道交通等制造領域對于結構輕量化有迫切需求。以鋁合金為代表的輕質合金具有密度小、比強度高、耐蝕性好等特點，得到越來越多的應用[1，2]。《中國制造2025》中提出，要加快應用清潔高效焊接工藝。攪拌摩擦焊（Friction Stir Welding，簡寫為FSW）作為一種低熱輸入的固相焊接工藝，具有大應變與高應變速率的特點。與傳統熔焊相比，FSW 接頭不會出現氣孔、裂紋和元素燒損等缺陷。因此，FSW 用于鋁合金等低熔點輕質合金的焊接，可以取得良好的成形質量[3，4]。

FSW 作為一個熱力耦合的過程，過程中的材料流動與產熱傳熱對焊接質量有著密切的影響。在焊接過程中，攪拌頭始終相對于焊接方向向后傾斜一個微小的角度。當傾角過小時，旋轉流動的材料會溢出攪拌頭形成飛邊，在焊縫中形成缺陷；當傾角過大時，軸肩過強的頂鍛作用會導致焊縫過分減薄，造成焊縫凹陷。因此，為了在焊接工藝實驗中保證焊縫成型，應當合理地選擇攪拌頭傾角[5～7]。目前，有部分研究者在實驗中研究了攪拌頭傾角的作用，發現調整攪拌頭傾角會對焊接過程的焊縫成型[8]、焊接載荷[9]、材料流動混合行為[10]、焊接溫度[11]和接頭性能[12]產生影響。但是，攪拌頭傾角是如何影響FSW 過程中傳熱傳質的？其內在機制是什么？還有待于進一步的研究。

采用數值模擬的方式可以對這些問題進行定量的分析，更加直觀地了解傾角的作用機制。在此前，很多研究者建立了FSW 過程的數值模型[13～15]，但是只有少部分研究者在建模過程中考慮了攪拌頭傾角。Eyvazian等[16]在FSW 的熱力學模擬中初步考慮了攪拌頭傾角的作用效果。Zhang 等[17]通過在建模過程中考慮了軸肩/工件接觸界面的不完全接觸區域，但是僅僅將界面接觸狀態限制在完全接觸區域內。Dialami 等[18]在模型中考慮了攪拌頭傾角導致界面摩擦剪切力的偏轉，但是沒有區分完全接觸區域與不完全接觸區域。在前期工作中[19，20]，從軸肩/工件接觸界面材料流體力學受力分析的角度推導了不完全接觸區域及其偏轉量的表達式，并分別考慮了完全接觸區域與不完全接觸區域界面接觸條件的非均勻性，使模型更加符合焊接過程的實際情況。Wang 等[21]進一步揭示了攪拌頭傾角抑制孔洞缺陷形成的機理。但是，不同攪拌頭傾角對焊接過程中產熱傳熱與材料流動行為的作用規律，還缺乏明確的認識。

在本研究中，采用考慮攪拌頭傾角作用的鋁合金FSW 過程數理模型，定義由攪拌頭傾角引起的不完全接觸區域及其偏轉量，并考慮接觸界面上非均勻的軸向應力、滑移率和摩擦系數。定量分析采用1.5°、2.5°與4°攪拌頭傾角時焊接過程中的傳熱傳質行為。

2 工藝實驗方法

在轉速–焊速為800r/min-30mm/min、軸肩下壓量為0.15mm、攪拌頭傾角為2.5°條件下，開展鋁合金FSW 工藝實驗。母材為長200mm、寬60mm、厚4mm的AA6061-T6鋁合金板材，化學成分如表1所示。采用的攪拌頭軸肩直徑15mm，內凹2°；攪拌針為圓臺形，表面帶有單頭右旋螺紋，攪拌針頂部和底部直徑分別為5.4mm 和3.8mm，螺紋螺距為1.0mm，螺紋槽寬為0.5mm。

表1 AA6061-T6 的化學成分 wt%

在焊接過程中，監測攪拌頭/工件接觸界面、焊核區（Weld Nugget Zone，簡寫為WNZ）內部與焊核區外部的溫度狀態，如圖1所示。在進行界面溫度測量時采用前期研制的無線測溫系統[22]，在攪拌頭上使用電火花加工方法加工兩個直徑為0.8mm 的通孔，將測溫熱電偶置入，使得軸肩底面測溫點距離軸肩邊緣3.16mm，與攪拌頭軸線的夾角為37°；攪拌針的側面測溫點距離軸肩底面2.96mm，與攪拌頭軸線的夾角為47°。這兩個通孔位于同一個平面內并且位于攪拌頭軸線的同一側。焊核區內部溫度測量時，在焊縫兩側距離焊縫中心線3mm 處開槽，深度為2.5mm，埋入熱電偶。焊核區外部溫度測量時，在焊縫兩側距離焊縫中心線10mm 處打孔，深度為2mm，埋入熱電偶。

圖1 FSW 過程溫度測量方法示意圖

3 考慮攪拌頭傾角作用的數值模型

使用計算流體力學（ Computational Fluid Dynamics,簡寫為CFD）方法建立鋁合金FSW 過程的數理模型。模型中的假設、網格模型、控制方程、材料本構方程與邊界條件的詳細介紹及其相關參數的取值可參考前期研究工作[19，20]。

在前期工作中，基于對軸肩/工件接觸界面材料進行流體力學受力分析，提出了不完全接觸區域寬度以及偏轉角度的表達式，并采用兩個雙曲正切函數分別定義了完全接觸區域與不完全接觸區域上的非均勻軸向應力、滑移率與摩擦系數，如圖2所示。其中涉及到的參數取值見參考文獻[20]。

圖2 兩個雙曲正切函數中涉及的距離示意圖

不完全接觸區域寬度與偏轉角度可以分別表示為式（1）和式（2）：

在完全接觸區域與不完全接觸區域的軸向應力可以分別表示為式（3）和式（4）：

在完全接觸區域與不完全接觸區域的滑移率可以分別表示為式（5）和式（6）：

在完全接觸區域與不完全接觸區域的摩擦系數可以分別表示為式（7）和式（8）：

式中，Fn為軸向力，Scontact為幾何上的接觸面積，x與y分別為任一點的橫坐標與縱坐標，xo'為完全接觸區域與不完全接觸區域分界線所在圓的圓心橫坐標，r為到攪拌頭軸線的距離，0δ為滑移率常數項，0μ為摩擦系數常數項。

4 數值模擬結果

采用與實驗中相同的工件尺寸、攪拌針尺寸與工藝參數，開展1.5°、2.5°與4°三種傾角條件時的數值模擬，定量分析不同攪拌頭傾角時焊接過程中的產熱傳熱與材料流動行為。

在距離軸肩底面2mm 位置處，提取半徑為3mm的圓周上三種傾角條件的材料流動速度，如圖3a所示。其中橫坐標為與X軸正方向的夾角，圓形點的曲線與方框點的曲線之間的陰影區域即為2.5°傾角比1.5°傾角材料流動加速區域；三角點的曲線與圓形點的曲線之間的陰影區域即為4°傾角比2.5°傾角材料流動加速區域。當攪拌頭傾角從1.5°增大到4°時，由于軸肩的頂鍛作用增強，攪拌頭后方的材料流動速度有明顯提高。

圖3 材料流動行為（800r/min–30mm/min）

為了更加直觀地了解材料流動狀態，在數值計算中，在攪拌頭前方x=-20mm 平面上沿著對界面y=0mm位置豎直布置示蹤粒子，在攪拌頭后方x=10mm 平面觀察三組攪拌頭傾角時的示蹤粒子的分布狀況，如圖3b所示。當傾角從1.5°增加到4°時，示蹤粒子繞過攪拌頭后向前進側遷移的能力增強。

提取三種傾角條件時軸肩/工件接觸界面上半徑為7mm 圓周的熱流密度，如圖4所示。圓形點的曲線與方框點的曲線之間的陰影區域即為2.5°傾角比1.5°傾角熱流密度增大的區域；三角點的曲線與圓形點的曲線之間的陰影區域即為4°傾角比2.5°傾角熱流密度增大的區域。當傾角從1.5°增大到4°時，攪拌頭驅動的材料體積增大，因此攪拌頭前方的界面熱流密度增大。

圖4 選取圓周上的熱流密度（800r/min-30mm/min）

對比三種傾角條件下攪拌頭周圍剪切層內粘性耗散產熱率，如圖5所示。當分別采用1.5°、2.5°與4°傾角時，粘性耗散產熱率峰值分別為7.40×109W/m3、8.13×109W/m3與9.26×109W/m3。當傾角從1.5°增大到4°時，攪拌頭周圍材料流動能力的提升導致粘性耗散產熱率升高。

圖5 粘性耗散產熱率（800r/min–30mm/min）

FSW 過程中的總產熱取決于攪拌頭/工件接觸界面產熱與剪切層內的粘性耗散產熱的綜合作用。當傾角從1.5°增大到4°，由于界面熱流密度與粘性耗散產熱率均增大，焊接過程總產熱增加，進而形成更高的焊接溫度，如圖6所示。當分別采用1.5°、2.5°與4°傾角時，軸肩/工件接觸界面測溫點所在圓環的計算峰值溫度分別為792K、803K 與811K；攪拌針側面/工件接觸界面測溫點所在圓環的計算峰值溫度分別為782K、796K 與803K。

圖6 軸肩/工件接觸界面的溫度分布（800r/min-30mm/min）

5 模型驗證

在2.5°攪拌頭傾角的條件下，對攪拌頭/工件接觸界面、焊核區內部與焊核區外部溫度計算結果與實驗測量結果相對比，驗證所提出模型的準確性。

對比軸肩/工件接觸界面與攪拌針側面/工件接觸界面測溫點的溫度計算值與測量值，如圖7所示。在試驗中，焊接過程穩定后軸肩/工件接觸界面平均溫度約為803K，攪拌針側面/工件接觸界面溫度約為793K；在數值模擬中，軸肩/工件接觸界面溫度為800～803K，攪拌針側面/工件接觸界面溫度為792～796K。溫度計算值與測量值誤差在3K 以內。

圖7 攪拌頭/工件接觸界面溫度計算值與測量值(2.5°傾角，800r/min-30mm/min)

對比焊核區內部前進側與后退側溫度計算值與測量值，如圖8所示。在試驗中，前進側峰值溫度為768K，后退側峰值溫度為762K；在數值模擬中，前進側峰值溫度為786K，后退側峰值溫度為784K。溫度計算值與測量值誤差在22K 以內。

圖8 焊核區內部溫度計算值與測量值(2.5°傾角，800r/min-30mm/min)

對比焊核區外部前進側以及后退側溫度計算值與測量值，如圖9所示。在試驗中，前進側峰值溫度為654K，后退側峰值溫度為642K；在數值模擬中，前進側峰值溫度為666K，后退側峰值溫度為664K。溫度計算值與測量值誤差在22K 以內。

圖9 焊核區外部溫度計算值與測量值(2.5°傾角，800r/min-30mm/min)

可以看出，攪拌頭/工件接觸界面、焊核區內部與焊核區外部溫度計算結果與實驗測量結果吻合均較為良好，證明了考慮攪拌頭傾角作用數值模型的準確性。

6 結束語

a.當傾角從1.5°增加到4°時，攪拌頭后方材料流動速度升高，材料繞過攪拌頭向前進側遷移的能力提升，這有助于提高攪拌區內材料的交鎖混合程度。

b.當傾角從1.5°增大到4°時，界面熱流密度與剪切層內粘性耗散產熱率均增大，焊接溫度提升。軸肩/工件接觸界面測溫點的峰值溫度從792K增加到811K，而攪拌針側面/工件接觸界面測溫點的峰值溫度從782K 增加到803K。

c.在2.5°傾角條件下，對比攪拌頭/工件接觸界面、焊核區內部與焊核區外部溫度的計算值與測量值，發現吻合度均較為良好，驗證了提出的考慮攪拌頭傾角模型的準確性。