譚錦紅，鄧 軍，董春林，Korzhyk VOLODYMYR

廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東 廣州 510650

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三維數(shù)值模擬攪拌頭溫度與應(yīng)力場(chǎng)分布*

譚錦紅，鄧 軍，董春林，Korzhyk VOLODYMYR

廣東省焊接技術(shù)研究所(廣東省中烏研究院)，廣東 廣州 510650

用Deform-3D軟件建立了攪拌摩擦焊三維熱-力耦合模型，模擬焊接過(guò)程中攪拌頭溫度和應(yīng)力場(chǎng)的分布狀態(tài).結(jié)果表明，溫度和應(yīng)力場(chǎng)受攪拌頭結(jié)構(gòu)影響顯著，攪拌針錐度減小、根部和端部直徑減小，摩擦阻力和摩擦產(chǎn)生的熱量減小，導(dǎo)致攪拌頭的溫度和應(yīng)力場(chǎng)隨之減?。粩嚢栳樔矫媲忻嫔疃仍龃?，導(dǎo)致攪拌頭的溫度和應(yīng)力場(chǎng)也相應(yīng)增加，其中處于攪拌針前進(jìn)側(cè)的等效應(yīng)力顯著提高.

攪拌摩擦焊；攪拌頭；數(shù)值模擬；溫度場(chǎng)；應(yīng)力場(chǎng)

攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)作為一種新型的固相連接技術(shù)[1]，在鋁合金焊接過(guò)程中無(wú)需填充材料、保護(hù)氣體，焊接前無(wú)需進(jìn)行復(fù)雜的處理工作，且焊接過(guò)程中無(wú)弧光輻射、煙塵和飛濺，及噪音低，因此被稱(chēng)為一種“綠色焊接方法”[2].攪拌頭作為攪拌摩擦焊技術(shù)的核心，最關(guān)鍵的部分是由攪拌針和軸肩組成的.因其直接與被焊材料作用，若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不當(dāng)，在大載荷、高溫的共同作用下容易磨損甚至斷裂.攪拌摩擦焊接過(guò)程是一個(gè)集溫度、應(yīng)力、應(yīng)變和金屬塑性變形等多種物理場(chǎng)相互耦合、共同作用的復(fù)雜過(guò)程，從理論上對(duì)各種現(xiàn)象進(jìn)行分析十分困難，并且以目前的檢測(cè)技術(shù)很難深入到焊接過(guò)程中的實(shí)質(zhì).

隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)和數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展，可有效地解決一些問(wèn)題.采用有限元法模擬攪拌摩擦焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)、應(yīng)力、應(yīng)變和塑性金屬三維流場(chǎng)[3-7]，對(duì)攪拌頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義.

本課題將采用大型有限元分析軟件Deform-3D對(duì)攪拌摩擦焊接過(guò)程中的溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布進(jìn)行數(shù)值模擬，重點(diǎn)研究攪拌針的形狀和關(guān)鍵尺寸對(duì)攪拌工具的溫度場(chǎng)和應(yīng)力分布的影響，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化攪拌頭結(jié)構(gòu)，提高攪拌頭的使用壽命.

1　攪拌摩擦焊工藝條件及幾何模型

1.1材料特性參數(shù)

選用2119鋁合金作為焊接材料，其化學(xué)成分及性能參數(shù)分別列于表1和表2.攪拌頭選用H13工具鋼，其化學(xué)成分列于表3.

表1　2219鋁合金的化學(xué)成分

表2　2219鋁合金的力學(xué)性能

表3　H13工具鋼主要化學(xué)成分

1.2數(shù)值模擬過(guò)程

模擬試件尺寸為8mm×200mm×100mm，將試件進(jìn)行非均勻性網(wǎng)格劃分，即焊縫中心塑性變形較大區(qū)域的網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)定為0.2 mm，其他變形相對(duì)較小的區(qū)域網(wǎng)格邊長(zhǎng)設(shè)定為0.5 mm，劃分網(wǎng)格后試件形貌如圖 1(a)所示，共有212965個(gè)四面體單元格.模擬過(guò)程中，材料變形遵循Von-Mises屈服準(zhǔn)則和Newton-Raphson迭代法則.設(shè)定單元格相對(duì)變形量達(dá)到0.7時(shí)，系統(tǒng)對(duì)單元格自動(dòng)重劃分，以提高計(jì)算精度.試件與攪拌頭之間設(shè)定為面接觸方式，選用庫(kù)倫摩擦行為，即f=mk(f為摩擦應(yīng)力，m為摩擦系數(shù)，k為剪切屈服應(yīng)力)，其中m=0.7.

在軸肩直徑為24 mm的條件下，模擬三種攪拌針結(jié)構(gòu)形式，即：錐度(30°，25°，20°)、攪拌針根部直徑(8，7.5，7 mm)和攪拌針三平面切面深度(0，0.25，0.5 mm)三種形式，如圖 1(b)所示.實(shí)驗(yàn)中設(shè)定焊接工藝參數(shù)焊速為120 mm/min，轉(zhuǎn)速為400 r/min，焊接傾角為2.5°，壓入量為0.1 mm.

圖1　攪拌摩擦焊有限元模型 (a)工件；(b)攪拌頭Fig.1　Schematic illustrations of friction stir welding model (a) work piece；(b) FSW tool

2　結(jié)果與分析

2.1攪拌頭溫度場(chǎng)分布

2.1.1攪拌針錐度對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在攪拌針根部直徑為8 mm的情況下，攪拌針錐度分別為30°，25°，20°時(shí)，攪拌頭的溫度場(chǎng)分布如圖2所示.由圖2可看出，隨著攪拌針錐角的減小，攪拌頭溫度稍稍升高，最高溫度從474 ℃升到513 ℃.這主要是由于攪拌頭錐度減小，使攪拌針的端部直徑增大，攪拌針與被焊材料之間的接觸面積增大，進(jìn)而由摩擦所產(chǎn)生的熱量增加，最終導(dǎo)致攪拌頭的溫度略微升高.此外，從圖2還可看出，最高溫度出現(xiàn)在攪拌頭軸肩平面上，而攪拌針溫度相對(duì)較低，這主要是由于軸肩旋轉(zhuǎn)線速度較大，與被焊材料之間摩擦產(chǎn)生的熱量也較多.

2.1.2攪拌針根部直徑對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在攪拌針錐度為30°的情況下，攪拌針根部直徑分別為8，7.5，7 mm時(shí)，攪拌頭的溫度場(chǎng)分布如圖3所示.由圖3可看出，隨著攪拌針根部直徑的減小，攪拌頭的溫度略有降低，最高溫度從474 ℃降到431 ℃.這主要是由于攪拌針根部直徑減小、錐度保持30°不變時(shí)，導(dǎo)致攪拌針根部直徑和端部直徑同時(shí)減小，從而使攪拌針與母材的接觸表面積減小，摩擦產(chǎn)生的熱量也隨之減小，最終攪拌頭的溫度也隨之下降.

圖2　不同攪拌針錐度的溫度分布云圖Fig.2　Temperature contours distribution with different taper pin(a)30°；(b) 25°；(c) 20°

圖3　不同根部直徑的溫度分布云圖Fig.3　Temperature contours distribution with different root diameter pin(a)8mm；(b)7.5mm；(c)7mm

2.1.3攪拌針三平面結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響

在攪拌針根部直徑為8 mm、端部直徑為24 mm的情況下，攪拌針三平面深度分別為0，0.25，0.5 mm時(shí)，攪拌頭的溫度分布如圖4所示.由圖4可看出，隨著切面與母線距離的增加，攪拌頭的溫度升高幅度較大，最高溫度從474℃升高到532 ℃.這主要是因?yàn)椋瑪嚢栳樑c母材的接觸面從原來(lái)的光滑過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)轭?lèi)似切屑的方式，這樣將加速攪拌針對(duì)母材的攪拌作用，摩擦生熱相應(yīng)增加，尤其是攪拌針處于前進(jìn)側(cè)瞬時(shí)的棱邊局部溫度升高.

圖4　不同攪拌針形貌的溫度分布云圖Fig.4　Temperature contours distribution with different structure pin(a) 0；(b) 0.25mm ；(c) 0.5mm

2.2攪拌頭應(yīng)力場(chǎng)分布

2.2.1攪拌針錐度對(duì)等效應(yīng)力場(chǎng)分布的影響

在攪拌針根部直徑為8 mm的條件下，攪拌針錐度分別為30°，25°，20°時(shí)，攪拌頭的等效應(yīng)力(MPa)場(chǎng)分布如圖5所示.由圖5可看出，隨著攪拌針錐度的減小，攪拌頭的最大等效應(yīng)力略微增加，最大等效應(yīng)力值從513 MPa增加到549 MPa.這主要是由于攪拌針錐角減小，攪拌針端部直徑就相應(yīng)增大，攪拌針與母材之間的接觸表面積增大，摩擦阻力相應(yīng)增加，最終導(dǎo)致攪拌頭的等效應(yīng)力相應(yīng)增大.

圖5　不同攪拌針錐度的等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.5　Effective stress distribution with different taper pin(a)30°；(b) 25°；(c) 20°

2.2.2攪拌針根部直徑對(duì)等效應(yīng)力場(chǎng)分布的影響

在攪拌針錐度為30°的條件下，攪拌針根部直徑分別為8，7.5，7 mm時(shí)，攪拌頭的等效應(yīng)力(MPa)分布如圖6所示.由圖6可看出，隨著攪拌針根部直徑減小，攪拌頭最大等效應(yīng)力值降低，即從513 MPa

減小到476 MPa，這主要是由于在攪拌針錐度保持為30 ℃不變時(shí)，攪拌針根部直徑減小，使攪拌針的根部直徑和端部直徑同時(shí)減小，從而使攪拌針與母材之間的接觸面積減小、摩擦阻力降低，最終導(dǎo)致攪拌頭所承受的等效應(yīng)力相應(yīng)減小.

圖6　不同根部直徑的等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.6　Effective stress contours distribution with different root diameter pin(a)8mm；(b)7.5mm；(c)7mm

2.2.3攪拌針三平面結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力場(chǎng)分布的影響

在攪拌針根部直徑為8 mm、端部直徑為24 mm的情況下，攪拌針三平面深度分別為0，0.25，0.5 mm時(shí)，攪拌頭的等效應(yīng)力場(chǎng)(MPa)分布如圖7所示.由圖7可看出，隨著三平面深度的增加，攪拌頭最大等效應(yīng)力值增加，最大值從513MPa增加到561MPa.這主要是因?yàn)閿嚢栳樣晒饣腻F體變?yōu)榫哂腥矫娴腻F體后，其與母材的接觸面過(guò)程中產(chǎn)生類(lèi)似切屑的變形方式，使攪拌針與母材之間的摩擦阻力顯著提高，尤其是攪拌針處于前進(jìn)側(cè)的剪切應(yīng)力顯著提高.

圖7　不同攪拌針形貌的等效應(yīng)力場(chǎng)分布云圖Fig.7　Effective stress contours distribution with different structure pin(a) 0；(b) 0.25mm ；(c) 0.5mm

通過(guò)對(duì)攪拌針的溫度和應(yīng)力場(chǎng)的模擬，結(jié)果表明，攪拌頭在焊接過(guò)程中最高溫度出現(xiàn)在軸肩平面上，焊接過(guò)程中溫度在437～532 ℃之間.其中攪拌針上三平面結(jié)構(gòu)對(duì)焊接過(guò)程溫度影響最顯著.這是由于該結(jié)構(gòu)使得攪拌針與被焊材料之間摩擦系數(shù)增大，前進(jìn)側(cè)攪拌針與被焊材料之間的剪切變形區(qū)和變形強(qiáng)度均顯著增加.

類(lèi)似地，攪拌頭的等效應(yīng)力最大值也是主要集中在軸肩平面上，攪拌針?biāo)軕?yīng)力均低于軸肩.但是在攪拌針根部直徑減小的條件下，最大等效應(yīng)力集中于焊縫根部，這就容易導(dǎo)致在焊接過(guò)程中攪拌針在根部斷裂.因此，攪拌針根部是易破壞位置，在設(shè)計(jì)攪拌頭結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)適當(dāng)增大攪拌針根部直徑，以提高攪拌針整體強(qiáng)度，延長(zhǎng)攪拌頭壽命.

3　結(jié)　論

(1)隨著攪拌針錐度的減小，攪拌針與被焊材料之間的接觸面積增加，使摩擦阻力增加、摩擦產(chǎn)生的熱量增大，最終導(dǎo)致攪拌頭的溫度和應(yīng)力相應(yīng)提高.

(2)隨著攪拌針根部和端部直徑減小，攪拌針與材料接觸面積減小，摩擦阻力和摩擦產(chǎn)生的熱量減小，導(dǎo)致攪拌頭的溫度和應(yīng)力場(chǎng)隨之降低.

(3)隨著三平面切面深度距離增大，攪拌針與材料之間的剪切變形作用加強(qiáng)，摩擦阻力和摩擦產(chǎn)生的熱量也增加，導(dǎo)致攪拌頭的溫度和應(yīng)力也相應(yīng)增加，其中處于攪拌針前進(jìn)側(cè)的等效應(yīng)力顯著提高.

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Numerical simulation of FSW tool temperature and stress distribution

TAN Jinhong，DENG Jun，DONG Chunlin，Korzhyk VOLODYMYR

GuangdongWeldingInstitute(Chinese-UkrainianInstituteofWelding)，Guangzhou510650，China

This study used Deform-3D software established three-dimensional FSW heat-mechanical model to simulate the temperature distribution and stress field in the head of the pin. The results showed that the temperature and stress field were significantly affected by the pin structure，heat generated by friction reduced due to reducing the stirring pin taper, root and ends a reduced diameter，which also resulting in reduced stress and temperature field on the tool. Stirring pin triplane section depth increases with increasing in temperature and stress of the tool，which is in the advance side of the stirring pin equivalent stress improved significantly.

friction stir welding；tool；numerical simulation；temperature field；stress field

2016-04-30

廣東省科技廳應(yīng)用型科技研發(fā)專(zhuān)項(xiàng)(2015B090922011)；廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃項(xiàng)目(201101C0104901263)

譚錦紅(1981-),男，湖南婁底人，工程師，碩士.

1673-9981(2016)02-0088-05

TG406

A