2010-搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

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２０１０年８月鄢东洋等：搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

用方面，虽然搅拌摩擦焊后残余应力和变形要低于熔焊结果，但焊缝区域仍然存在一个峰值较高的纵向拉应力区【３训，残余变形现象在大尺寸铝合金薄板的焊接过程中依然显著【５卅，因此，搅拌摩擦焊接的残余应力和变形也是研究的重点。

除工艺试验外，数值模拟技术是目前研究搅拌摩擦焊接的有效办法，它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。已经有大量研究者在搅拌摩擦焊接的热力耦合数值模拟方面做出了努力，如ＦＲｊＧＡＡＲＤ等［７－１２】分别用数值模拟方法研究了搅拌摩擦焊接温度场和残余应力的分布，但这些研究所涉及的数值模型还存在一些不完善之处。例如：①部分热源模型是通过“试错法”得到的，严重依赖于试验结果，不具备通用性，也不能反应焊接过程中热量产生的本质；②模型中一般不对夹具建模，只是将夹具的热学和力学作用都简化为边界条件，而不同研究者简化的边界条件差异较大；③大多数模型中包含的铝合金材料模型都只考虑了材料性能随温度升高而降低，而没有考虑材料性能在冷却降温过程中的变化：④模型中不考虑搅拌头机械作用，无法描述应力不对称分布的特征，也得不到和试验结果一致的变形形状。

本文将对上述的问题进行细致研究和分析，结合目前搅拌摩擦焊接热力耦合模拟的发展，建立了一个更加完善的数值模拟分析模型。模型中涉及了新型热源模型、接触条件下的夹具模型、考虑降温过程的材料模型等。结合大尺寸铝合金薄板的搅拌摩擦焊接试验，利用新模型模拟温度场、残余应力、残余变形，以验证模型的准确性和先进性。

１搅拌摩擦焊接试验

搅拌摩擦焊接试验的目的是为了给数值模拟分析模型的建立提供模型数据，同时也提供模拟结果的试验验证。试验在德国ＥＡＤＳ公司进行，利用搅拌摩擦焊对接两块尺寸为６００ｍｍｘ３１５ｍｍｘ３ｍｉｉｌ的６０５６铝合金薄板。焊接所用搅拌头的参数为：轴肩直径１３ｍｉｎ，搅拌针直径５ｍｌｎ，搅拌针长度２．６ｍｍ。焊接工艺参数为：搅拌头转速１８５０ｆｆｍｉｎ，焊速７００ｍｍ／ｍｉｎ，焊接过程中搅拌头下压力设定为８ｋＮ，搅拌头倾角为２７。焊接夹具由一块垫板和两块压板组成，具体的装夹方式如图１所示。为获得更多的试验数据，焊接过程中测量了搅拌头工作时三个正交方向的作用力和其工作转矩，测量结果显示搅拌头的下压力和转矩在稳定焊接阶段保持稳定，平均值分别为８０８６ｋＮ和８．７６Ｎ?ｍ。除此之外，还采用在薄板中埋入热电偶的方式测量焊接温度场的分布。图２显示了铝合金薄板经历搅拌摩擦焊接后的变形状态，焊后主要的变形是面外变形，变形形状类似反马鞍状，利用三坐标测量仪对薄板的残余变形进行测量和表征【６】。温度和变形的测量结果在后文中和模拟结果对比时展示。

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图ｌ焊接夹具及其装配情况的示意图

图２铝合金薄板经搅拌摩擦焊接后的变形状态

２有限元模型的分析和建立

基于试验条件，采用ＡＢＡＱＵＳ／Ｓｔａｎｄａｒｄ软件创建三维有限元分析模型，模型中不仅包括了待焊薄板，还按照试验装配情况建立了夹具的几何模型。模拟的焊缝长５６０ｍｌｎ，起点和终点距板的两端各２０ｍｌｎ。建模过程中采用８节点六面体单元对整个几何模型进行网格划分，焊缝位置进行网格细化，薄板厚度方向划分两层单元，如图３所示。分析过程采用热一力单向解耦计算，先计算出焊接温度场，在力学分析模型中将温度场结果作为边界条件读入模型。

图３待焊薄板和夹具的几何模型及网格划分

为了更准确地模拟搅拌摩擦焊接过程，在建模过程中对热源模型、夹具作用、材料模型以及搅拌头的机械载荷作用进行了分析和讨论。

２．１热源模型的更新

数值模拟很早就被用于研究搅拌摩擦焊接温

度场分布，为了获得和试验结果吻合的温度场分布，

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２０１０年８月鄢东洋等：搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

图ｌＯ模拟的与测量的铝合金薄板ＦＳＷ后

残余变形量的对比

由图ｌＯ可见，数值模拟得到的残余变形和试验测量得到的变形在整个薄板上都具有相同的趋势，只是在变形数值上存在一定的差异，但所有误差都控制在２０％以内，这样的误差水平在有限元力学分析中是可以接受的。致使数值模拟变形结果和实际变形之间存在误差的因素主要有以下几个方面。①焊接温度场的模拟结果存在误差，如焊缝区内峰值温度过高以及忽略前进侧和返回侧的温度差异；②夹具接触模型中的参数在数值上不准确，如接触面上的摩擦因数以及接触面之间的法向作用力大小；③模型本身还不够不完善。虽然本模型已经综合考虑了材料、夹具、搅拌头机械载荷，但是还是没有涉及材料流动、焊接区域材料再结晶等因素。

综上所述，虽然该分析模型得到的模拟结果和实际焊接结果还存在一定的差异，但它综合考虑了最新的热源和材料模型，并首次创建了夹具接触模型，更详细地考虑了搅拌头机械载荷作用，和原来的模型相比更加完善和准确。模拟的结果也证明了该模型的合理性和先进性，它不仅能得到和试验结果吻合的温度场分布，还能反应出应力不对称分布的特征，并且能较准确地预测焊接残余变形，这是原来的分析模型所不能实现的。

４结论

（１）建立了更加完善的搅拌摩擦焊接热力耦合分析模型，模型中采用被焊材料的剪切极限作为热源模型中的生热驱动力，考虑被焊材料的性能参数随温度及温度历史发生变化，建立了夹具和试板之间的接触关系，并在力学分析模型中将搅拌头机械载荷简化考虑。

（２）利用新型模型对铝合金薄板搅拌摩擦焊接过程进行热力学方面的模拟，得到了和试验结果比较吻合的温度场、残余应力和变形结果。其中残余应力结果具有明显的不对称双峰特征，残余变形在整块板上也都和试验结果具有相同趋势。

（３）模拟结果在数值上和试验结果还存在一定差异，这主要是由新模型中部分参数不准确造成的，但和原有的分析模型相比有了长足的进步。

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万方数据

搅拌摩擦焊接的热力耦合分析模型

作者：鄢东洋， 史清宇， 吴爱萍， JUERGEN Silvanus， 张增磊， YAN Dongyang， SHI Qingyu ， WU Aiping， JUERGEN Silvanus， ZHANG Zenglei

作者单位：鄢东洋,史清宇,吴爱萍,张增磊,YAN Dongyang,SHI Qingyu,WU Aiping,ZHANG Zenglei(清华大学机械工程系,北京,100084)， JUERGEN Silvanus,JUERGEN Silvanus(欧盟太空防卫及空

间技术集团技术革新实验室,慕尼黑,81663,德国)

刊名：

机械工程学报

英文刊名：JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING

年，卷(期)：2010,46(16)

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本文链接：https://www.wendangku.net/doc/692584804.html,/Periodical_jxgcxb201016017.aspx