搅拌摩擦焊接工艺过程的建模及热力耦合分析

搅拌摩擦焊接工艺过程的建模及热力耦合分析

高月峰，孟庆孔，韩 鹏，门士滢，杨国铁

(北方信息控制研究院集团有限公司，江苏 南京 211153)

摘 要：搅拌摩擦加工技术是近些年发展起来的一种金属材料新型加工处理技术。搅拌摩擦焊接是一个复杂的温度场、流动场和力场相互耦合的、非线性的物理过程。基于FSW工艺过程热源的热力耦合模型，建立了搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型，并分析了各工艺参数对工艺过程仿真分析的影响，提出了铝合金搅拌摩擦焊接工艺过程的建模及热力耦合分析方法，为进一步优化FSW焊接的工艺参数提供了理论参考。

关键词：热力耦合；工艺参数优化；搅拌摩擦焊

随着计算机性能的提高以及工程仿真软件的普及，铝合金搅拌摩擦焊接热力耦合仿真技术的研究已不断深入。采用该技术不仅可以以较低的成本获得焊接过程中的材料流动、温度分布、应力和应变的演变过程，同时还可以考察焊接工艺条件对焊接过程的影响，为焊接工艺关键参数的确定提供重要理论依据[1]。本文通过建立搅拌摩擦焊接工艺仿真模型，对搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding, FSW)多目标工艺参数优化问题进行了分析研究。

1 搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型的分析及建立

可靠性模型是搅拌摩擦焊接工艺过程仿真分析最基本的条件之一。根据铝合金的搅拌摩擦焊接工艺过程，将FSW工艺过程建模核心为基于热源的热力耦合模型，其分为搅拌头的刚性模型、FSW工艺参数模型、焊接工件材料本构模型和焊接夹具柔性体模型等。搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型如图1所示。

图1 搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型

1.1 搅拌头的刚性模型及焊接夹具柔性体模型

焊接工具的设计是FSW的核心技术，优化设计焊接工具是获得高质量接头的前提。焊接工具由夹持机构、轴肩和搅拌针构成[2]。在焊接过程中，轴肩和搅拌针与被焊工件接触，其几何形状和尺寸不仅决定着焊接过程的热输入方式，还影响着焊接过程中搅拌头附近软化区金属的流动形式。

搅拌摩擦焊接中的夹具是刚性夹具，其拘束能力要明显超过普通弧焊中的夹具；因此，在搅拌摩擦焊接的数值模拟中，如何考虑夹具的拘束作用将会对焊接残余应力和变形结果产生显著影响。目前，研究搅拌摩擦焊接的力学分析模型几乎都没有对焊接夹具进行建模，而是采用简化的边界条件来代替。

1.2 搅拌摩擦焊接工艺参数模型

FSW工艺参数包括焊接工具的旋转速度、焊接速度、倾角和压力等。研究表明，在选择合适的焊接工具的前提下，焊接参数对接头的性能影响很大；但各种参数并不独立，要获取良好的性能还应将搅拌头转速、焊接速度及搅拌头倾角等各参数进行匹配，使焊接热循环温度保持在某一特定范围内。

1.3 焊接工件材料本构模型

在搅拌摩擦焊接力学分析的数值模拟中，材料性能参数也是影响力学分析结果准确性的重要因素。大部分计算模型中都将材料性能参数简化处理为常数或者是简单的温度函数[3]。本文讨论的材料模型不仅考虑了铝合金性能参数随温度升高而降低，更重要的是考虑了力学性能参数(如屈服强度和弹性模量)在降温过程中的变化，进一步完善了材料模型。

2 搅拌摩擦焊接工艺过程热力耦合仿真分析技术

基于搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型，通过边界条件设定、单元选择与网格划分方法，分析FSW过程中金属材料温度变化、材料应力应变和材料塑性迁移等多方面相互耦合、共同作用的复杂物理过程[4]，促进更好、更快地调整焊接工艺参数，从而获得接头力学性能优异的焊接件。搅拌摩擦焊接过程中基本物理现象的相互耦合关系如图2所示。

图2 搅拌摩擦焊接过程中基本物理现象的相互耦合关系

2.1 FSW在“压入、准稳态及退出”工艺过程中的热力耦合仿真分析

FSW在“压入、准稳态、退出”工艺过程中的热力耦合仿真分析流程如图3所示[5]。采用已建立的可靠性模型及其性能参数，施加初始温度边界条件、加载相关热负载及热流密度，采用高阶多节点的网格单元类型进行网格划分，利用温度求解器计算出各个节点的温度分布；删除热载荷及其热分析边界条件，将热分析网格单元类型转化为结构单元类型，定义力学分析的单元特性，并将节点的温度载荷作为结构分析的载荷条件，同时施加力学分析的位移边界及相关力载荷，利用显式求解器并设置分析载荷步，计算并存储工艺过程模型的应力应变结果，利用多视角的显示处理方式，对仿真分析结果进行后处理显示。

图3 热力耦合分析流程图

在搅拌摩擦焊接压入阶段，搅拌工具插入工件之后，应保证适当的工件预热过程以使搅拌头周围的金属达到充分的塑性流动状态。在焊接开始阶段，搅拌头插入工件过程中，附近区域温度缓慢升高，范围扩大使得材料软化，焊接进给阻力变小，有利于金属的塑化迁移和焊件的焊合。

在搅拌摩擦焊接准稳态阶段，焊缝最高温度继续升高，最高温度主要分布在搅拌头轴肩笼罩下的部分区域，随着焊缝热源往后不断推移，温度较高的区域在逐渐扩大，搅拌头前方温度低，温度梯度大，而后方温度相对较高，温度梯度变化相对较小。随着搅拌头继续向前移动，焊接热源仍然非常集中，焊件表面温度变化迅速，升高很快。

在搅拌摩擦焊接退出阶段，进给过程结束，搅拌头拔出过程很快，然后是工件的自然冷却阶段，温度会慢慢降到周围环境温度。虽然温度不高，但是高温区域比之前要大，焊接过程的瞬时高温区域此刻变成了热源中心，逐步向四周传递，较大的热源中心导致梯度分布更加广泛，最低温也有一个上升和累积过程。在整个焊接过程中，温度最高的区域始终在轴肩的影响范围内，位于搅拌头的中后部，这充分说明搅拌摩擦焊接热量主要来源于轴肩与焊材之间的摩擦热。

2.2 搅拌摩擦焊接工艺过程分析可靠性验证

采用热电偶和测温仪对焊接表面进行测温，对模拟结果与实测结果进行反复对比，不断修正焊接换热系数与搅拌工具的热流密度值。温度场仿真过程流程图如图4所示。

图4 温度场仿真过程流程图

利用微机控制电子万能试验机，对焊接件进行拉伸、弯曲、冲击、硬度和微型剪切试验，在不同变形温度和不同应变速率下对铝合金进行各项试验研究，确定材料的应力应变，分析应变速率与变形温度对材料热变形流变应力的影响规律，从理论上模拟搅拌摩擦焊接过程中材料的流变应力和应变的变化。

利用光学显微镜通过对焊缝的宏观组织、微观组织及显微硬度进行分析，进一步明确焊接过程中的温度分布和热循环对焊缝组织特点及硬度分布的影响规律。

3 搅拌摩擦焊接关键参数优化技术

搅拌摩擦焊接是一个复杂的温度场、流动场和力场相互耦合的过程，综合摩擦产热、塑性流动和热传导等诸多非线性物理变化因素，拟通过建立数值模型模拟搅拌摩擦焊接工艺过程，得出金属热塑性流动的规律，优化关键参数，并通过工艺试验进行验证。

3.1 多目标参数下搅拌摩擦焊接工艺过程研究

通过几何模型的建立、材料参数和模拟参数的设定、有限元网格的划分、系统参数和边界条件的设置[6]、求解器的选择、结果的可视化和信息分析，最后对结果的正确性和效率进行评估、工艺试验验证，为进一步优化FSW工艺参数提供参考[7]。数值模拟流程图如图5所示。

图5 多目标参数下搅拌摩擦焊接工艺过程分析流程图

3.2 搅拌摩擦焊接工艺试验验证分析研究

利用正交试验的方法来分析焊接参数对强度和韧性以及轴向缩短量的影响规律。运用极差分析方法、方差分析方法和回归分析方法等对正交试验结果进行处理和分析[8]，迅速找出影响指标的主要因素，进而找到较优的工艺参数。

4 结语

通过对搅拌摩擦焊接工艺过程的深入分析，从铝合金搅拌摩擦焊接技术中的完善工艺过程可靠性模型、实现热力耦合仿真分析及可靠性验证、实现工艺过程关键参数优化的需求出发，突破了搅拌摩擦焊接工艺过程可靠性模型分析、工艺过程热力耦合仿真分析、参数优化技术及工艺试验验证等关键技术研究。下一步将建立铝合金的FSW工艺过程可靠性模型，结合对温度及应变的测量试验，优化及验证铝合金的FSW热力耦合分析可靠性。

参考文献

[1] 傅田,李文亚,杨夏炜,等. 搅拌摩擦点焊技术及其研究现状[J]. 材料工程，2015,43(4)：102-114.

[2] 朱金芳. A356铝合金搅拌摩擦焊接热力耦合分析[J]. 特种铸造及有色合金, 2015, 35(8):813-817.

[3] 李成重. 7075铝合金搅拌摩擦焊接过程数值模拟研究[D]. 南昌：南昌航空大学, 2011.

[4] 王磊,朱建军. 摩擦搅拌焊接过程热力耦合数值模拟[J]. 系统仿真学报, 2011, 23(5)：881-885.

[5] 王丽. 搅拌摩擦焊接热力耦合[D]. 兰州：兰州理工大学，2007.

[6] 崔俊华,柯黎明,刘文龙,等. 搅拌摩擦焊接全过程热力耦合有限元模型[J]. 材料工程, 2014(12)：11-17.

[7] 殷鹏飞,张蓉,熊江涛,等. 搅拌摩擦焊准稳态热力耦合过程数值模拟研究[J]. 物理学报，2013, 62(1):480-487.

[8] 段忠祥. 搅拌摩擦焊的三维有限元摩擦模型数值模拟研究[J]. 热加工工艺, 2015, 44(15)：222-225.

Modeling and Thermal Mechanicalcoupling Analysis of Friction Stir Welding Process

GAO Yuefeng, MENG Qingkong, HAN Peng, MEN Shiying, YANG Guotie

(North Information Control Research Group Co., Ltd., Nanjing 211153, China)

Abstract： Friction stir welding technology is a type of new technology for metal materials processing developed in recent years. Friction stir welding is a nonlinear mutual coupling physical process including complex temperature field, flow field and force field. A reliability process model of the FSW based on thermodynamic coupling model of FSW process heat source is established, and the influence of various process parameters on the simulation process is analyzed, a method of the aluminums alloy friction stir welding process modeling and thermal coupling analysis is put forward, providing theoretical reference for further optimizing the FSW welding process parameters.

Key words: thermal mechanicalcoupling, optimization of processing parameters, friction stir welding

中图分类号：TH 163

文献标志码：A

作者简介：高月峰(1984-)，女，工程师，大学本科，主要从事结构工艺等方面的研究。

收稿日期：2017-06-21

责任编辑 郑练