分享：铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊残余应力数值模拟

吴晓虎1,曹丽杰1,苗臣怀1,王 仪2

(1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院,上海 201620;2.上海飞机制造有限公司,上海201324) 

摘 要:采用顺序热力耦合的方法建模,通过正交试验,利用 ABAQUS软件分析了铝-镁异种 合金搅拌摩擦搭接焊中焊接速度、搭接量、搅拌头转速对残余应力的影响,获得最优的工艺参数,通 过试验验证模拟结果的准确性,并研究焊接速度、搭接量对残余应力的影响规律。结果表明:搅拌 摩擦搭接焊的最优参数为焊接速度60mm·min-1、搭接量60mm、搅拌头转速1400r·min-1;在 不同焊接工艺下,热循环曲线和残余应力的模拟结果与试验结果相吻合,相对误差分别小于7.5% 和8.4%,验证了数值模拟结果的准确性;最大残余应力出现在焊缝末端的搭接面处,最优焊接工 艺下的最大残余应力为137.7MPa;与搅拌头转速相比,焊接速度与搭接量对残余应力的影响较 大,随着焊接速度的增大,纵向残余压应力峰值升高,压应力作用范围变窄,而随着搭接量的增加, 纵向残余压应力峰值降低,压应力作用范围变宽。 

关键词:异种合金搅拌摩擦搭接焊;残余应力;数值模拟 

中图分类号:TG457 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0095-08

0 引 言 

搅拌摩擦焊是一种新型而有效的先进固态连接 工艺,在焊接过程中板材无需熔化即可连接传统熔焊技术难以焊接的高强度铝合金以及异种材料。然 而,与传统的熔焊相同,搅拌摩擦焊接头中也存在热 影响区和焊后残余应力[1]。在搅拌摩擦焊过程中, 焊接接头内部产生的残余应力通过改变焊接工件的 内应力和力学性能来破坏工件的整体性能,导致工 件的 结 构 和 性 能 严 重 受 损。 陈 彦 君 等[2] 基 于 ABAQUS软件,建立了搅拌摩擦焊的动态有限元 模型,分析了6系铝合金的焊后残余应力分布规律, 且试验结果与仿真结果吻合较好。卢翔等[3]建立搅 拌摩擦焊产热模型,研究了焊接参数和搅拌头偏置 对铝-钢异种金属焊接过程的影响,发现搅拌头转速 是残余应力的主要影响因素。周文静等[4]模拟了铝 合金板搅拌摩擦焊的稳态与瞬态过程,发现瞬态与 稳态计算结果基本一致,随着主轴转速与轴肩下压 力的增大,应力与温度的非对称性逐渐增强。史学 海等[5]采用热力耦合方法建立了冷热源辅助的搅拌 摩擦焊模型,发现与常规工艺相比,冷热源辅助可以 有效降低接头焊后残余应力峰值。目前主要针对搅 拌摩擦对接焊过程进行数值模拟,而搭接也是搅拌 摩擦焊接结构中一种常见接头形式。张昭等[6]建立 铝合金搅拌摩擦搭接焊温度-再结晶-析出相-力学性 能的一体化计算模型,实现了基于晶体塑性理论的 力学性能研究,通过试验和数值模拟的对比验证了 模型的有效性。胡云瑞等[7]研究发现,在2024-T4 铝合金搅拌摩擦搭接焊过程中,搅拌头轴肩边缘处 的材料流动速率较大,并且流速随着距搅拌头距离 的增加而减小。但是,关于搅拌摩擦搭接焊的研究 主要集中在同种金属方面,有关异种金属搅拌摩擦 搭接焊的数值模拟研究较少。因此,作者以6082铝 合金与 AZ31B镁合金为研究对象,通过正交试验, 采用 ABAQUS软件对搅拌摩擦搭接焊过程进行数 值模拟,分析了焊接速度、搭接量、搅拌头转速对焊 后残余应力场的影响,获得最佳的工艺参数,并进行 了试验验证;研究了焊接速度、搭接量对残余应力的 影响规律,以期为优化焊接参数提供理论指导。

1 数值模型的建立 

1.1 热源模型

在搅拌摩擦焊接过程中,热量主要来源于搅拌 头与工件接触面上的摩擦产热以及工件剪切层内的 少量塑性变形功[8]。产热总功率Qt 的计算公式为 Qt =ηMzω=2πn6η0Mz (1) 式中:η为热传输效率,取0.95[9];Mz 为搅拌头的转矩;ω 为转动角速度;n 为转速。

搅拌头采用平轴肩圆柱状的热源模型,轴肩半 径为5 mm,搅拌针半径为 1.5 mm。在摩擦产热 中,轴肩部分的摩擦产热约占75%,忽略塑性变形 功,产热总 功 率 约 等 于 轴 肩 与 搅 拌 针 产 热 功 率 之 和[9]。轴肩的产热功率Qs 可表示为 Qs =0.75Qt (2) qs(r)= 3Qsr 2π(R31 -R30) (3) 式中:qs 为轴肩热流密度,由于轴肩与焊件之间为 表面接触,属于面热源,因此qs 为面热流密度;r 为 搅拌头中心位置与积分点之间的距离;R1 为轴肩半 径;R0 为搅拌针半径。 搅拌针的产热功率Qp 可表示为 Qp =0.25Qt (4) qp(r)= Qp πR20h (5)式中:h 为搅拌针长度;qp 为搅拌针热流密度,搅拌 针插入焊件内部高速转动并向前移动,属于体热源, 因此qp 为体热流密度。 

1.2 有限元模型

1.2.1 材料参数

6082铝合金[10]与 AZ31B 镁合金[11]在不同温 度下的材料参数见表1和表2。

1.2.2 网格划分

采用有限元软件 ABAQUS 建立了顺序耦合的 热力学模型。模型采用尺寸为200mm×100mm× 3mm 的2块异种材料板搭接的形式,其中6082铝 合金板在下侧,AZ31B镁合金板在上侧。为了提高 计算效率并兼顾模拟精度,对焊缝中心处及附近的 网格进行局部加密处理,模型网格划分如图1所示, 网格划分为73200个单元,91254个节点,单元类 型选择为热-力耦合单元 C3D8R。

1.2.3 边界条件

在模型中,温度场的模拟计算采用等效热力学 边界条件代替夹具与垫板;铝合金板与下表面的垫 板直接接触,散热较快,因此铝合金板与垫板之间采 用较高的 对 流 换 热 系 数[12],设 为 1000 W·m-2· K-1;铝合金板侧面和镁合金板完全暴露在空气中, 采用较低的对流换热系数,设为30W·m-2·K-1;工 件初始温度设为室温(20 ℃)。与对接方式相比,搅 拌摩擦搭接焊在接头处具有更复杂的边界条件。将 搅拌头下方网格固定约束,其余搭接面的接触属性 定义为2 个 光 滑 板 材 之 间 的 接 触,摩 擦 因 数 设 为 0.3。焊接结束后,当温度趋于稳定时,逐渐去除垫 板和夹具的相关约束。在焊接开始时选择少量节点 约束各个方向的自由度,在焊缝末端选取少量节点 只约束其垂直方向和水平方向的自由度,使工件能 够沿焊缝方向变形以避免刚体位移[13]。

2 参数优化与试验验证 

2.1 参数优化 

焊接速度、搅拌头转速和搭接量等焊接参数对 搅拌摩擦搭接焊接头残余应力的大小与分布有重要 影响。正交试验设计在多因素多水平的试验中具有 独特的优点,能够在不影响试验效果的同时,尽可能 减少试验次数[14]。采用3因素4水平[L16(43)]的形式,设计搅拌摩擦搭接焊参数的因素水平表,具体 如表3所示。 

残余压应力对搅拌摩擦焊接接头的疲劳寿命有 利,而残余拉应力则可以增加裂纹尖端的应力分布, 严重影响搅拌摩擦焊接头的疲劳寿命[15]。搅拌摩 擦焊接头的残余拉应力主要以纵向残余应力为主, 因此模拟过程中主要研究纵向残余拉应力。在正交 试验中,信 噪 比 作 为 特 征 数 来 衡 量 焊 接 接 头 的 质 量[14]。由信噪比的望小特性可知,纵向残余拉应力 越小越好,即信噪比越小越好。信噪比RSN 的计算 公式为 RSN =-10lg 1a∑ai=1σ2yi (6) 式中:a 为数值模拟次数;σyi 为第i 次数值模拟得 到的最大纵向残余拉应力。 

由表4可知,各因素对纵向残余拉应力的影响 按从大到小的顺序为焊接速度、搭接量、搅拌头转 速,最优的设计方案为 C1A4B3,即焊接速度60mm· min-1,搭接量60mm,搅拌头转速1400r·min-1。 采用最优方案进行数值模拟,得到的纵向残余拉应 力最大值为137.7MPa。

2.2 试验验证 

为了验证数值模拟的准确性,在专用搅拌摩擦 焊接机上进行搅拌摩擦搭接焊试验,焊件材料和尺 寸与模型保持一致,搅拌头材料为 H13工具钢,搅 拌头参数选择与热源模型参数相同。根据正交试验 结果,搅拌头转速对纵向残余拉应力的影响较小,因 此保持搅拌头转速不变,仅改变搭接量和焊接速度, 具体焊接试验参数如表5所示。使用嵌在预钻孔中 的 K 型热电偶记录焊接中间阶段垂直于焊接方向 距焊缝中心线约10mm 处的瞬态温度,孔的深度和 直径分别为2mm 和1 mm,孔中心距焊缝中心线 约10mm。

由表4可知,各因素对纵向残余拉应力的影响 按从大到小的顺序为焊接速度、搭接量、搅拌头转 速,最优的设计方案为 C1A4B3,即焊接速度60mm· min-1,搭接量60mm,搅拌头转速1400r·min-1。 采用最优方案进行数值模拟,得到的纵向残余拉应 力最大值为137.7MPa。 2.2 试验验证 为了验证数值模拟的准确性,在专用搅拌摩擦 焊接机上进行搅拌摩擦搭接焊试验,焊件材料和尺 寸与模型保持一致,搅拌头材料为 H13工具钢,搅 拌头参数选择与热源模型参数相同。根据正交试验 结果,搅拌头转速对纵向残余拉应力的影响较小,因 此保持搅拌头转速不变,仅改变搭接量和焊接速度, 具体焊接试验参数如表5所示。使用嵌在预钻孔中 的 K 型热电偶记录焊接中间阶段垂直于焊接方向 距焊缝中心线约10mm 处的瞬态温度,孔的深度和 直径分别为2mm 和1 mm,孔中心距焊缝中心线 约10mm。 

将模拟得到温度测量点处的热循环曲线与试验 结果进行对比。由图2可知,不同焊接工艺下,模拟 得到测量点的热循环曲线与试验得到的热循环曲线 吻合较好,相对误差小于7.5%,表明该热源模型可 用来预测搅拌摩擦搭接焊的温度分布规律。

采用盲孔法[16]测量焊缝中心处的表面纵向残 余拉应力,并与模拟结果进行对比,结果如表6所 示。由表6可知,模拟得到的纵向残余应力与试验 结果相差较小,最大相对误差为8.4%,最小相对误 差为3.5%,验证了数值模型的准确性,也表明该模 型及模拟结果对实际焊接有一定的指导意义。

3 模拟结果与讨论 

3.1 残余应力的分布规律

由图3可知,焊缝中心附近的残余应力集中且 明显高于其他区域,纵向残余应力呈典型的不对称 M 型分布,最大残余应力为102.5MPa,位于前进侧 (AS)的轴肩边缘附近,略高于后退侧(RS)最大残 余应力。焊缝中心处附近的纵向残余应力为拉应 力,随着距焊缝中心距离的增大残余拉应力逐渐减 小最终变为压应力。横向残余应力整体上与纵向残 余应力分布趋势相同,但焊缝中心处的横向残余应 力主要为压应力,最大值为18.1 MPa,同样位于前 进侧的轴肩边缘附近。在焊接过程中,由于纵向方 向上的温度梯度变化比其他方向上的变化快[17],因 此纵向残余应力明显高于横向残余应力。

由图4可知,在轴肩范围以内,接头上表面与搭 接面处 的 温 度 分 布 曲 线 几 乎 相 同,最 高 温 度 为 443.3 ℃,明显高于下表面的最高温度,而在轴肩范 围以外,上表面、搭接面和下表面的温度分布曲线几 乎相同。在进行异种金属搅拌摩擦搭接焊时,上下 板之间的搭接面存在接触热阻,热量在搭接面处传 递会发生突变,此时温度梯度大于均匀传递时的温 度梯度,从而导致下板温度过低,容易造成接头的弱 连接[18]。在数值模拟中发现最大残余应力基本出现 在焊接末端的搭接面处,主要原因是搭接面的温度梯 度较大。随着焊接的进行,热量不断积累,焊接末端 温度快速升高,温度梯度进一步扩大,因此最大残余 应力主要出现在焊接末端的搭接面处。

3.2 焊接速度对残余应力的影响

在正交试验结果分析中,发现焊接速度和搭接量是影响搅拌摩擦搭接焊残余应力分布的主要因 素,搅拌头转速对残余应力的影响较小,而焊缝表面 残余应力以纵向残余应力为主,因此只分析焊接速 度和搭接量的变化对纵向残余应力的影响。保持搭 接量60mm、搅拌头转速1400r·min-1不变,仅改 变焊接速度为60,80,100,120 mm·min-1,分析焊 接速度对温度分布曲线和纵向残余应力的影响。 

由图5可以看出,随着焊接速度的提高,峰值温 度降低。当焊接速度为60mm·min-1时,峰值温度 为443.5 ℃;当焊接速度从 80 mm·min-1 增 大 至 100mm·min-1 时,峰 值 温 度 从 424.6 ℃ 降 低 至 397.5 ℃;当焊接速度继续增大至 120 mm·min-1 时,峰值温度为321.2 ℃。焊接速度决定了单位长 度焊缝的热输入,随着焊接速度的提高,搅拌头在焊 缝相同位置的作用时间减少,单位长度焊缝的热输 入变小,垂直于焊接方向的热扩散时间缩短,导致焊 接过程中的空间温度梯度增大,焊接区域的材料受 热不均匀程度增大,在冷却时各部分材料收缩不同 步程度增大,从而造成残余应力变大[19]。

由图6可知,焊接速度的变化对纵向残余应力 有明显影响。随着焊接速度的增大,纵向残余应力 峰值增大,当焊接速度较低时,残余应力的 M 形分 布特征较明显。当焊接速度从60 mm·min-1 增大 到80 mm·min-1 时,残余应力峰值升高趋势最明 显,随着焊接速度的继续增大,该趋势变缓;随着焊 接速度的增大,残余压应力的变化较小。残余拉应 力的作用区域对焊接速度较敏感,主要原因是在较 低的焊接速度下热量能够传递到距离焊缝中心更远 的材料,因此热影响区面积较大,轴肩作用范围内的材料塑性流动更充分并且熔合更均匀,残余拉应力 的作用区域相对于较高焊接速度分布更广泛[20]。 

3.3 搭接量对残余应力的影响 

保持 焊 接 速 度 60 mm·min-1、搅 拌 头 转 速 1400r·min-1 不变,仅改变搭接量,研究搭接量对 接头纵向残余应力的影响。由图7可以看出,接头 的即时峰值温度随着搭接量的增加而降低。不同搭 接量接头的即时峰值温度随时间的变化趋势相同, 即随着焊接时间的延长,即时峰值温度在初期迅速 上升,在25s左右到达焊接稳定期,温度上升趋势 变缓,由于在整个焊接过程中,产热略大于散热,因 此即时峰值温度在焊接稳定期一直平稳且缓慢上 升;当热源移动至焊接末端时,由于热量的累积,焊 接末期的 即 时 峰 值 温 度 迅 速 升 高,最 高 温 度 达 到 600 ℃以上,高于焊件的熔点。过高的温度易产生 焊接缺陷,在实际的焊接过程中应避免出现末端的 高温现象[13]。焊 接 结 束 后,因 没 有 持 续 的 热 量 输 入,所以焊件的温度迅速降低。搭接量的变化主要 影响焊件之间的相互作用与传热效率。随着搭接量 的增加,两板的接触面积增大,热量传递更加均匀, 焊接过程中的温度梯度减小,因此焊缝表面的残余 拉应力降低。此外,垫板对焊接过程中的温度传递 和散热有重要影响,随着搭接量的增加,通过垫板散 失的热 量 增 加,因 此 焊 件 即 时 峰 值 温 度 略 微 降 低[18]。

由图8可知,随着搭接量的增大,接头的最大残 余拉应力减小,残余拉应力作用的范围扩大。当搭 接量从30mm 增大至40mm 时,残余拉应力峰值 从133.8MPa降至118.0MPa,下降趋势较明显,残余压应力变化不明显;当搭接量从 40 mm 增大至 50 mm 时,残 余 压 应 力 变 化 较 明 显,峰 值 从 57.3MPa降 低 至 24.9 MPa,残 余 拉 应 力 峰 值 从 118.0MPa降至112.3 MPa;随着搭接量的继续增 大,残余拉应力峰值降至102.5 MPa,残余压应力 变化不明 显。在 搅 拌 摩 擦 搭 接 焊 过 程 中,板 材 一 方面受热应 力 影 响,另 一 方 面 受 搅 拌 头 的 机 械 应 力的作用。增大搭接量,两板的接触面积增大,能 够提高板材 之 间 的 接 触 质 量,使 得 焊 接 接 头 受 到 的机械应力降低,焊后变形量减小,从而降低焊缝 表面残余拉应力[21]。 

4 结 论

(1)采用顺序热力耦合的建模方法,得到镁-铝 异种合金搅拌摩擦搭接焊的最优参数为焊接速度 60mm·min-1、搭接量60mm、搅拌头转速1400r· min-1;在不同焊接工艺下,热循环曲线和残余应力 的模拟结果与试验结果相吻合,相对误差分别小于 7.5%和8.4%,验证了数值模拟结果的准确性。 (2)铝-镁异种合金搅拌摩擦搭接焊接头表面 垂直于焊缝方向的纵向残余应力呈典型的 M 形分 布,前进侧的残余应力峰值高于后退侧;最大残余应 力出现在焊缝末端的搭接面处,最优焊接工艺下的 最大残余拉应力为137.7MPa。 (3)随着焊接速度的增大,接头上表面纵向残 余拉应力峰值明显增大,作用范围变窄,而残余压应 力变化不明显;随着搭接量的增加,接头上表面残 余拉应力峰值降低,作用范围变宽,残余压应力峰值 在搭接量从40 mm 增至50 mm 时呈明显下降趋 势。

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