搅拌摩擦焊接过程温度场的数值模拟与实验研究

搅拌摩擦焊接过程温度场的数值模拟与实验研究

自1991年英国焊接研究所（tw）提出以来，搅拌摩擦焊接技术在世界范围内引起了广泛的研究，尤其是在轻金属材料的连接中应用广泛。它具有无钙化金属丝的缺点，变形小、组织性能好等优点。搅拌摩擦焊接是一种固态连接技术。在焊接过程中搅拌工具与工件紧密接触,高速旋转与其周围母材摩擦产热,同时材料软化发生塑性变形,并释放出塑性变形热。通过实验研究可知,不同的工艺导致搅拌摩擦焊接中产生的热量及温度场分布不同,会对焊缝成形的质量产生较大的影响。由于整个焊接过程是在搅拌工具的轴肩与工件之间的一个封闭区域内进行,所以仅通过实验方法很难对焊接过程中温度场的分布进行分析。在过去的十几年里大量学者对搅拌摩擦焊接过程中的产热和温度场分布进行了模拟仿真研究。Seidel等使用基于流体力学的方法建立了二维模型对搅拌摩擦焊接过程进行仿真。Colegrove等和Frigaard等建立三维热流模型来预测搅拌摩擦焊接过程中温度场的分布。Kumar等就搅拌工具的形状对焊接过程产热的影响进行了研究。Vijay等采用自适应边界建立热-力耦合模型,对搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行分析,但没有考虑搅拌针的作用。史清宇等通过建立自适应移动热源模型来对搅拌摩擦焊接过程进行模拟。虽然之前关于搅拌摩擦焊接产热模型的研究已经取得了一些成果,但鉴于搅拌摩擦焊接过程存在大的塑性变形的特殊性,在对焊接过程中温度场分布进行计算时,有必要对焊接过程中产热来源及散热边界进行更准确的考虑。本文基于ALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)方法建立完全热-力耦合的有限元模型,以模拟搅拌摩擦焊接过程中的摩擦和塑性变形产热,从而对焊接过程中的温度场分布进行计算,并通过测温实验对计算结果进行验证。1平板焊接过程中过程试验材料为6mm厚的7A52铝合金板材,尺寸为260mm×150mm。焊接实验在XT-900搅拌摩擦焊专用数控机床上进行,焊接过程中保持焊接速度(搅拌工具移动速度)、下压量(轴肩边缘压入平板的深度)、倾角(搅拌工具轴线与平板夹角)、搅拌头尺寸等工艺参数不变,仅改变旋转速度,如表1所示。图1为焊接过程中平板上热电偶的分布位置。在平板的前进侧和返回侧,分别布置4个热电偶,距离焊缝中心分别为15mm、20mm、25mm和30mm。2有限模型2.1平板模型的建立图2为有限元模型及边界条件示意图。根据搅拌工具实际尺寸和形状建立有限元模型,并在计算过程中将该模型设定为刚体。实验过程中采用的平板尺寸较大,为了提高计算的速度以及网格划分的质量,平板的数值模型尺寸为直径120mm、厚度6mm。由于搅拌工具与平板的边缘距离足够远,所以平板计算模型与实际实验中的不一致对焊接过程中温度场分布的影响较小。平板的材料为7A52铝合金,材料的弹性模量、比热以及热导率与温度相关,屈服强度与温度、应变和应变速率相关。平板共划分为26000个六面体单元(32000个节点),单元类型选择热-力耦合C3D8RT单元。为了避免由于搅拌工具的运动导致过大的网格畸变,本文使用ALE方法和ABAQUS/Explicit网格自适应功能。将搅拌工具的平移等效为平板材料沿相反方向以2mm/s的速度施加到平板的一侧。平板的两侧作为材料的流入和流出面,定义为Eulerian面,从而使材料点能与网格分开,平板的上下表面定义为滑移面,材料点只能在网格平面内运动,从而有效地模拟计算过程中材料与搅拌工具间的相互摩擦作用。2.2coolomb定分法搅拌摩擦焊接过程中的热量主要来自于搅拌工具与平板之间的摩擦生热和金属塑性变形产热两方面。模型中通过建立搅拌工具与平板之间的接触作用,来模拟实际焊接过程中的产热行为。时间增量ΔT内,输入平板的热通量可用下式来描述:Qt=Qf+Qd.(1)Qt=Qf+Qd.(1)其中:Qt为总热量,Qf为摩擦产热量,Qd为塑性变形产热。由于搅拌摩擦焊接是一个滑动摩擦和粘性摩擦共存的过程,为了较为准确地模拟焊接过程中搅拌工具与平板之间的作用,本文引入修正的Coulomb摩擦定律,摩擦力τ=min(μp,σyield√3).τ=min(μp,σyield3√).其中:μ为摩擦系数,p为接触压力,σyield为材料的屈服强度。则摩擦产热量可由下式定义:dQf=kτΔsΔt=kmin(μp,σyield√3)ΔsΔt,Qf=∫ΔΤ∫Skmin(μp,σyield√3)ΔsΔtdAdt.(2)dQf=kτΔsΔt=kmin(μp,σyield3√)ΔsΔt,Qf=∫ΔT∫Skmin(μp,σyield3√)ΔsΔtdAdt.(2)其中:k为摩擦产热效率,Δs为滑移量。在模型中,假定单位体积塑性变形产热为dQd=ησ˙εpldV.dQd=ησε˙pldV.其中:η为塑性变形产热系数,σ为应力,˙εplε˙pl为塑性应变率。则时间增量ΔT内产生的总的变形热量为Qd=∫ΔΤ∫Vησ˙εpldVdt.(3)Qd=∫ΔT∫Vησε˙pldVdt.(3)将式(2)—(3)代入式(1)中可得时间增量ΔT内产生的总热量为Qt=∫ΔΤ∫Sωrmin(μp,σyield√3)dAdt+∫ΔΤ∫Vησ˙εpldVdt.Qt=∫ΔT∫Sωrmin(μp,σyield3√)dAdt+∫ΔT∫Vησε˙pldVdt.3模拟结果与测温实验的比较选取与焊接实验完全相同的工艺参数(旋转速度分别为600r/min和800r/min)进行模拟,计算得到焊接时间t=15s时温度场分布结果如图3所示。从图中可以观察到在搅拌工具前侧温度梯度明显高于后退侧,同时,两种工艺的最高温度分别为506℃和513℃,是7A52铝合金固相线温度(620℃)的81.6%和82.7%,这与实际情况非常吻合。为了有效地评估温度场计算结果的可靠性,本文将模拟结果与测温实验进行比较。板材上表面离焊缝中心线距离分别为15mm、20mm、25mm和30mm时,计算和实测的峰值温度比较结果如图4所示。可以看到:计算和实测结果两者相当接近,特别是在距离焊缝中心较近的位置;在距离焊缝较远的位置可能是由于平板尺寸与实际不同,存在些许误差。对比结果表明所建立的完全热-力耦合搅拌摩擦焊接模型是合理和可行的。同时,从实验和计算结果中还可以观察到焊缝前进侧的温度要稍高于返回侧。4实验结果分析本文采用ALE方法建立完全热-力耦合的有限元模型,用材料的平移和搅拌工具的自转代替