搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合分析.pdfVIP

搅拌摩擦焊接过程的完全热力耦合分析 王细波 张涛 （清华大学机械工程系 北京 100084） 摘要：本文基于强大的 ABAQUS 通用软件建立完全热力耦合模型，对 3mm 厚 AL6056 薄板搅拌摩擦焊接过程进行仿真分析。计 算中考虑温度变化材料性能的影响，较为准确地描述搅拌摩擦焊的实际物理过程。计算中温度场和塑性应变场的结果证明模型的 有效性。 背景 搅拌摩擦焊技术于 1991 年在英国焊接研究所(TWI)发明以来，引起了全球范围内的广泛研究，在轻金属等材 料的连接中具有广阔的应用前景，具有焊接后缺陷少，变形小与组织性能优良等方面的优点。搅拌摩擦焊接技术 作为一种新型的固态焊接工艺，它的基本原理是：把一个柱状或锥状的带螺纹或不带螺纹的搅拌头旋转着缓慢插 入被焊工件的待焊接处。搅拌头与工件紧密接触，高速旋转与其周围母材摩擦产热，材料软化发生塑性变形，并 释放出塑性变形能; 同时，搅拌头旋转着沿焊接方向与工件作相对运动，使搅拌头作用区域附近的材料发生强烈 的塑性变形。随着，搅拌头向前移动，高度塑性变形的材料被挤压到搅拌头的背后，肩部所施加的锻造力使接缝 处的变形金属通过相互扩散与再结晶而牢固地结合在一起，从而完成搅拌摩擦焊接过程。由于搅拌摩擦焊接过程 的条件非常复杂，很难直接通过实验的方法测得焊接过程中的温度场，塑性应变场以及力，力矩等，所以采用数 值方法来研究搅拌摩擦焊接过程显得尤其重要。 本文基于 Abaqus/Explicit 平台建立完全热力耦合的有限元模型来模拟搅拌摩擦焊过程。这对研究各种焊接参 数（包括搅拌头旋转速度，焊接速度，下压量等）对焊接质量的影响具有重要意义。 １模型描述 1.1 有限元模型 焊接构件采用铝合金 6056, 由于焊接过程中材料产生在的塑性变形，材料的屈服强度是与应变量，温度相 关的函数。为了便于网格的划分，构件模型为圆盘状，直径为 100mm，厚度为 3mm 。为了使材料能够从前进侧 运动到返回侧，模型中的焊接构件作为一个连续的试样，没有考虑焊缝的影响。圆盘采用 C3D8RT 单元划分为 35000 个节点，30000 个单元。 搅拌头的轴肩直径为 20mm, 搅拌针直径为 6mm, 轴肩内凹角为 9 °，轴肩边缘倒角半径为 1mm。由于搅拌 头都选用硬质合金材，所以模型中将搅拌头被约束为刚体。 为了避免在计算过程中出现大的网格畸变，模型中以材料的运动来代替焊接过程中搅拌头移动的过程。采用 Abaqus 中的 Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 和 Adaptive Meshing 方法来实现这个过程。边界条件的设置如图 1 所示。 图 1 数值模型的边界条件 1.2 接触定义 通过定义接触对来模拟搅拌头与待焊试件之间的接触行为。模型中采用库仑定律来计算焊接过程的摩擦力。 实际的焊接过程中搅拌头和平板之间没有穿透的现象，所以接触模型的法向作用定义为硬接触。切向之间的摩擦 采用罚函数运算法测，给定摩擦系数 f=0.3 。 2 计算结果与讨论 在既定的焊接参数(搅拌头旋转速度 600r/min ，焊接速度为 120mm/min ，下压量为 0.4mm) 下，计算得到的温 度场分布如图 2 所示。计算结果显示：在焊接过程中的最高温度在 440 ℃～450 ℃之间，与实验所测得的最高温度 非常接近；搅拌头前方的温度梯度较后方大；同时，从焊接过程中不同时刻的温度分布可以看出，焊接过程开始 后搅拌头轴肩附近温度的分布很快就达到了稳态，分布规律与实际的分析结果基本吻合。 图 3 显示搅拌摩擦过程中平板上塑性应变场的分布情况。塑性应变场分布较为准确地反应搅拌摩擦焊接过程 中，焊缝区域不同位置材料发生塑性应变的程度。在搅拌头的后方总存在一个塑性应变量相对较低的区域，这也 是对焊缝质量影响最大的位置。 图 2a 焊接 0 秒时的温度分布 图 2b 焊接 2 秒时的温度分布 图 2c 焊接 4 秒时的温度分布 图 2d 焊接 8 秒时的温度分布