5A06铝合金搅拌摩擦焊热流有限元分析.pdf

铝合金搅拌摩擦焊热流有限元分析王聂龙张书权符书豪戈军委(贵州航天天马机电科技有限公司贵州 遵义)摘 要:大厚度铝合金板搅拌摩擦焊工程应用时常用双轴肩焊接工具焊接而双轴肩焊接工具使用寿命较短、易磨损铝合金厚板单轴肩搅拌摩擦焊在工程实践中具有重要意义 针对 铝合金厚板的单轴肩搅拌摩擦焊过程进行了热流有限元分析建立了大厚度铝合金板热流仿真模型分析了 铝合金焊接时温度场分布特征、焊接热循环曲线特征焊接前进侧/后退侧热循环曲线及外加热源、冷源对搅拌摩擦焊温度场的影响 结果表明单轴肩搅拌焊工具插入工件预热初期轴肩产热占整个搅拌工具产热 以上前进侧和后退侧最高温度相差约 同时施加热源和冷源时能够很好地限制板材底部热量的散失以及轴肩附近温度的快速升高有利于焊缝质量的提升关键词:搅拌摩擦焊 铝合金 有限元分析 热流中图分类号:.文献标识码:文章编号:():./.:引言搅拌摩擦焊在焊接领域被誉为三十年最具创造性的发明是一种优质高效、绿色、低成本、低变形的固相焊接方法彻底解决了多种有色金属熔焊所带来的一系列问题并逐步取代熔焊方式已被广泛应用于航空、航天、电力、锂电池制造等领域对于大厚度铝合金板(厚度大于 )的搅拌摩擦焊为了保持焊接工件底部与顶部的差控制在铝合金塑性变形温度范围内目前国内多用双轴肩搅拌工具焊接双轴肩摩擦焊头在焊接过程中搅拌针易磨损、折断且使用寿命较短而目前单轴肩一般用于薄板以防止未焊透等缺陷如果通过设备、工艺、搅拌工具等方面来实现大厚度有色金属材料的高质量单轴肩搅拌摩擦焊具有重要意义 在焊前对单轴肩搅拌摩擦焊焊接过程进行仿真分析可减少人力、物力消耗等为搅拌摩擦焊焊接提供理论依据文中针对大厚度 铝合金板采用单轴肩搅拌摩擦焊特点拟用有限元软件对焊接过程进行热流分析分析起焊时搅拌工具及焊接工件的温度场、焊接前进侧/后退侧温度场、外加热源对搅拌摩擦焊的影响旨在为实现大厚度铝合金板材的单轴肩搅拌摩擦焊接提供理论依据 有限元模型.搅拌摩擦焊原理 是由耗材摩擦焊衍生而来的一种先进的轻金属连接工艺 该焊接方式继承了摩擦焊工艺的优点 固相、锻造的微观组织和优良的冶金连接大大改善了常规方式焊接轻合金材料的焊接性如图 所示该方法采用旋转耐磨的搅拌工具施加适当的顶锻压力沿着焊道平动实现焊接 图中 为焊接压力、为搅拌工具转速、为横向移动速度 本质上是利用搅拌工具轴肩、搅拌针与母材结合面之间金属摩擦热加热周围被封闭的金属在搅拌工具搅动的作用下将前端被加热的金属转移到搅拌工具的后方并逐层堆叠在随后的冷却过程中经过动态再结晶和扩散连接过程而形成焊缝 焊缝的表面成形机制主要表现为搅拌工具轴肩在平动和高速转动状态下的摩擦强制成形见图 所示QOW8FMEOVHHFU5.;);图 搅拌摩擦焊过程 图 搅拌摩擦焊缝.几何模型如图 所示焊件材料选用 铝合金搅拌摩擦焊头选用 热作磨具钢焊件的三维几何模型尺寸为 根据实际焊接情况在搅拌工具与焊件装配时将起焊点距工件边界留 的余量 图 搅拌工具与焊接件模型.材料属性的定义模拟 过 程 中 忽略搅拌工具在焊接过程中的磨损将搅拌工具设为刚性体在摩擦过程中还需设定焊接材料的性能参数主要有比热容、密度、导热系数等一般说来 它们并不是常数而是随着材料的组织状态和温度而变化本研究中忽略材料密度随温升的变化在计算中取为常数 /针对试验材料查阅文献资料得出 铝合金的基本物理参数如表 表 铝合金物理性能表温度/导热系数/(/)比热容/(/).图 铝合金板有限元网格划分.有限元网格的划分为 了 兼 顾 较 高的计算准确性和合理的计算效率采用非均匀的网格划分靠近焊缝的区域采用较密的网格而远离焊缝区域采用较疏的网格划分结果如图 所示节点的数量为 个单元的数量为 个表面多边形的数量为 个在铝合金板塑性成形数值模拟过程中基于非线性有限元计算时设定网格质点和物质质点同时运动 过度的大变形会造成单元严重畸变这与有限元数值模拟中要求的单元形状尽量与母单元的形状接近相违背 文中设置节点间的相互穿入深度为.来控制运行中网格重划.边界条件的确定搅拌摩擦焊温度场的计算属于瞬态热分析需要设定初始温度在传热过程开始时物体整个区域中各点的温度已知这是计算的出发点 本研究在空气中焊接设定初始温度值为 为了避免工件在模拟运动过程时的运动需要定义工件的速度边界条件设置工件在空间三维方向上的速度都为零 有限元模拟结果与分析.温度场分布特征以 为研究对象搅拌工具旋转速度为 /焊接速度为/顶锻力为 吨左右搅拌工具要先以一定的下压速度压入工件并停留一段时间这一阶段是预热过程 图 为 时焊件温度分布云图图 为 时焊件温度分布云图BC;9:;9:图 温度分布云图BC:;9:;9图 温度分布云图由图 和图 可知最高温度集中在搅拌工具轴肩以下部分区域高温在轴肩区域向四周扩散呈环形变化但焊件大部分及焊接末端还处在低温状态(左右)焊缝区域温度呈现上宽、下窄的锥形分布态势其原因是在搅拌摩擦焊初期搅拌针旋入工件时由于搅拌针的形状为锥形上宽下窄工件表面靠近轴肩处始终受到搅拌针的剪摩擦力作用而当搅拌针完全压入工件后搅拌工具轴肩的产热占整个搅拌工具产热的大部分而搅拌针只是在焊缝中原地旋转金属塑性流动产热很小可不考虑轴肩摩擦产生的热量传导到中心需要一定时间从而导致下面的高温区宽度窄于表面的高温区宽度从图 和图 可看出温度最高区域在轴肩范围内且仅在轴肩以下靠近上表面的一个小区域内这就能很好的说明在搅拌摩擦焊预热阶段焊接热量的主要来源是搅拌工具轴肩与工件之间的摩擦生热搅拌针的产热是较小的一部分从而软化了金属减小了材料的流动阻力为后面搅拌工具的前进运动奠定了基础.焊接热循环特征距离起焊点位置、及(方向为焊接方向 方向焊缝横向 向为厚度方向)三个方向各选三个特征点提取温度时间曲线 起焊点坐标为()图()为焊缝表面距离起焊点横向 方向距离分别为 、及 的三个点、的热循环曲线图()为焊件厚度方向上的三个点()、()、()的热循环曲线图()为选择焊接方向上三个点()、()、()的热循环曲线D9 5JNFT5FNQFSBUVSF 3PJOU5SBDLJOH111 5JNFT5FNQFSBUVSF3PJOU5SBDLJOH1 11 5JNFT5FNQFSBUVSF3PJOU5SBDLJOH111B:C;图 各方向热循环曲线由图 可知在搅拌摩擦焊过程中工件上各点的温度随着搅拌工具的移动所产生热源的作用而发生变化温度随时间由低到高达到最大值后又由高到低的变化 从图()可知随着 向距离的增加最高温度呈下降趋势从图()可知距离焊缝表面不同厚度处的最高温度是不同的其原因是轴肩的摩擦产热是主要的热输入而搅拌针的产热是很小的一部分试件下部的热量主要是通过轴肩产热向下传导而获得的故随着厚度的增加温度逐渐下降从图()可知随着搅拌工具沿焊缝向前移动 个位置处的温度值依次从初始温度迅速升高到最高温度 左右然后又缓慢回复到初始温度附近.前进侧和后退侧热循环曲线为了分析前进侧和后退侧温度的差异在焊接的某一中心点处前后 的地方沿焊接方向在工件内部各取 个点其坐标分别是()、()、()和()、()、()其温度随时间的变化曲线如图 所示 5JNFT5FNQFSBUVSF3PJOU5SBDLJOH111BC5FNQFSBUVSF3PJOU5SBDLJOH 5JNFT111图 前进侧和后退侧温度变化曲线从图 对比可以发现前进侧和后退侧最高温度相差约 其原因是在焊接过程中由于搅拌工具旋转在搅拌工具的后侧产生空腔作用以及搅拌工具在前侧区域的搅拌前进运动所形成的楔形挤压作用使前进侧直接搅拌区域附近的材料沿轴肩和搅拌针的外表面被移动到搅拌工具后退侧或者被逆时针挤压至搅拌工具的后方 而且在搅拌摩擦焊的焊接过程中材料塑性流动所产生的热占能量很大的一部分工件材料在搅拌工具的搅拌作用下绕过搅拌针向后退侧流动带入一部分能量因而造成后退侧的温度稍高于前进侧的温度.外加热源对搅拌摩擦焊温度场的影响以下各图中图()均为平行于焊接方向焊缝中轴线纵截面温度分布图图()均为垂直于焊接方向纵截面温度分布图 可见当单独施加热源时温度明显升高最高可达 如图 所示而当单独施加冷源时温度明显降低可降低到 如图 所示当热源与冷源同时施加时最高温度为 最高温度与单独施加热源时相差不大但搅拌工具附近温度明显比单独施加热源时低如图 所示 这说明同时施加热源和冷源时能够很好地限制板材底部热量的散失并抑制轴肩附近温度的快速升高故在生产实践中为防止轴肩附近温升过快常加吹冷气装置BC:;9:;9图 不加热源和冷源时铝合金板温度场BC:;9:;9图 在板下表面加热源时铝合金板温度场BC:;9:;9图 在上表面加冷源时铝合金板温度场BC:;9:;9图 热源和冷源同时施加时铝合金板温度场 结论)搅拌摩擦焊温度场在厚度方向上呈圆锥形分布焊接热量主要来源于搅拌工具轴肩与工件之间的摩擦生热搅拌工具轴肩产热占整个搅拌工具产热 以上)前进侧和后退侧最高温度相差约 其原因是工件材料在搅拌工具的搅拌作用下绕过搅拌针向后退侧流动而带入一部分能量)搅拌摩擦焊温度场单独施加热源时温度明显升高反之单独施加冷源时温度明显降低同时施加热源和冷源时温度升高与单独施加热源时几乎无差别但施加冷源能够很好地限制板材底部热量的散失并防止轴肩附近温度的快速升高参考文献 周文静许振波杜柏松.铝合金搅拌摩擦焊温度场及残余应力场研究.兵器材料科学与工程():.陈彦君朱平张秀娟等.系铝合金板搅拌摩擦焊残余应力有限元分析.大连交通大学学报():.万胜强吴运新龚海等.铝合金搅拌摩擦焊温度与残余应力热力耦合模拟.热加工工艺():.刘景麟吕赞陈克鹏等.静止轴肩对 温度与应力影响的数值模拟.精密成形工程():.陈新华邱艳超张军.铝合金搅拌摩擦焊有限元研究.焊接技术():.():.():.史清宇王细波康旭等.搅拌摩擦焊温度场.清华大学学报(自然科学版)():.作者简介:王聂龙()男工程师研究方向:搅拌摩擦焊工艺研究、航天地面装备制造工艺研究收稿日期: