許 輝,封小松,尹玉環(huán),馬子奇

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

熱源同軸輔助攪拌摩擦焊熱過程數(shù)值分析

許 輝,封小松,尹玉環(huán),馬子奇

(上海航天設(shè)備制造總廠，上海200245)

針對空間環(huán)境焊接修復(fù)與組裝需求，提出熱源輔助固相焊接方法，以避免高真空與微重力空間環(huán)境的不利影響。該輔助熱源采用激光同軸加熱中空攪拌頭，間接為焊縫提供熱輸入。在對激光束于攪拌頭小孔中的反射與吸收行為進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，建立復(fù)合焊接熱源模型，對復(fù)合焊接過程溫度場進(jìn)行了數(shù)值計算。分析結(jié)果表明，加入激光輔助熱源能將焊縫最高溫度從394℃提高到511℃，激光熱量主要加熱攪拌針周圍的材料，具有局部加熱的特點；在相同條件下，輔助熱源提高了焊接熱輸入，焊縫金屬軟化程度增加，為降低焊接作用力和提高焊接速度提供條件；仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比的一致性說明復(fù)合焊接分析模型能夠用于預(yù)測焊接過程的溫度場，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

輔助熱源；攪拌摩擦焊；同軸復(fù)合；數(shù)值模擬

1 引言

按照我國載人航天規(guī)劃，將逐漸建成短期有人照料的空間實驗室及長期有人參與的空間站，這些航天器服役時間從3～5年到10～12年不等?？臻g站等長時間運行，使得其在軌維護(hù)與修復(fù)變得十分必要。焊接作為一種永久性連接方法，是空間維修維護(hù)必不可少的一項工藝技術(shù)[1]。

但是空間環(huán)境特殊性(高真空、微重力、大幅度溫度交變)限制了一般熔焊方法的使用[2]之一，攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，F(xiàn)SW)的固相連接特點能夠有效規(guī)避重力和真空對焊接過程的影響，使其成為空間焊接的理想選擇[3]。但是，攪拌摩擦焊對焊接設(shè)備的承載要求高，在空間環(huán)境中較難加載，需要降低攪拌摩擦焊對承載力的要求，提高焊接熱輸入被證明是可行的方法[4]。馬歇爾空間飛行中心采用了提高轉(zhuǎn)速的方法來增加焊接熱輸入，提高材料軟化程度，從而降低焊接作用力，但高轉(zhuǎn)速(超過10000 rpm)的不穩(wěn)定帶來了諸多問題[5]，另一種增加熱輸入的方法是引入輔助熱源加熱。

輔助熱源一般加載在攪拌頭前方的工件上，提前預(yù)熱待焊材料[6-9]，但這種復(fù)合方式影響因素眾多，且擴(kuò)大了對工件的加熱范圍。因此，提出激光同軸加熱輔助攪拌摩擦焊方法。

為了分析該新型方法的復(fù)合效果，本文采用有限元軟件對復(fù)合焊接過程的溫度場進(jìn)行了模擬，在這一過程中，熱源耦合效率與輔助熱源熱量分布、雙熱源能量匹配等參數(shù)相關(guān)。本文考察了攪拌頭插入焊接工件原位摩擦和沿焊縫前進(jìn)兩個階段的溫度場，對復(fù)合焊接過程中的熱過程行為進(jìn)行了定量分析，研究結(jié)果將為深刻理解空間環(huán)境熱源輔助攪拌摩擦焊的連接機(jī)制、優(yōu)化焊接工藝提供支撐。

2 激光輔助攪拌摩擦焊過程分析

2.1 激光輔助攪拌摩擦焊原理

激光輔助攪拌摩擦焊的原理如圖1所示。采用中空的主軸電機(jī)和攪拌摩擦焊工具，將激光能量引入攪拌頭內(nèi)部，在深而窄的攪拌頭小孔內(nèi)，實現(xiàn)對光能到熱能的高效轉(zhuǎn)化。輔助熱能通過攪拌頭傳遞給工件，與摩擦熱一起，實現(xiàn)對工件的焊接熱輸入。該焊接方法額外施加了熱源，能夠在同等的攪拌摩擦焊參數(shù)下，是實現(xiàn)對工件狹小區(qū)域的高效加熱，從而降低焊接過程作用力，便于實施空間環(huán)境焊接。

圖1 激光輔助攪拌摩擦焊示意圖Fig.1 Sketch of laser assisted FSW

2.2 攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)熱分析

常規(guī)攪拌摩擦焊的熱量主要來源于攪拌頭軸肩和攪拌針與工件的摩擦產(chǎn)熱，如圖2，以及金屬塑性變形產(chǎn)熱，由于塑性產(chǎn)熱所占比例較低，模型中忽略不計，只考慮摩擦產(chǎn)熱[10]。

圖2 攪拌摩擦焊接過程產(chǎn)熱分析Fig.2 Heat generated during FSW process

2.3 激光能量吸收特點分析

攪拌頭設(shè)計成中空形式，在攪拌針中心加工盲孔，如圖3所示。

激光聚焦后，光束通過中空攪拌頭進(jìn)入該小孔內(nèi)部，將會在孔內(nèi)表面上發(fā)生多次反射，使激光能量轉(zhuǎn)化為熱能，激光在小孔內(nèi)的傳播過程如圖4。

根據(jù)幾何光學(xué)計算激光能量在孔底和孔壁的分配。激光聚焦后，焦點距離攪拌針內(nèi)孔上邊緣z0，通過調(diào)節(jié)z0使在內(nèi)孔上邊緣處的光束直徑等于小孔的直徑，這樣可以保證光束全部進(jìn)入小孔內(nèi)。中心的光束由于入射角較小，會優(yōu)先到達(dá)孔的底部，如圖5。假設(shè)光束為圓錐體，到達(dá)孔底部時，理論光斑半徑為rb，rb可以表示為式(1):

式中:H為孔深；d為孔直徑；z0為焦點與攪拌針內(nèi)孔上邊緣的距離。z0可表示為式(2):

式中:r1為小孔上邊緣的光束直徑，其值等于d/2；F為焦距；r0為聚焦前光束半徑。

假設(shè)光束橫截面能量分布為Gauss分布，則圓形光斑水平截面任意一點的激光功率為式(3):

式中:P為激光功率；r為圓形光斑內(nèi)任一點到光斑中心的距離。對孔底吸收部分的能量密度積分，可得到該區(qū)域吸收的激光能量P1如式(4):

以激光功率P為例進(jìn)行計算，聚焦前的光束直徑為48 mm，小孔直徑為1 mm，小孔深度H＝3 mm，焦距F＝680 mm，計算可得孔底吸收部分的能量P1＝0.74P，在理想條件下，假設(shè)能量被小孔全部吸收，可得孔壁部分的能量為0.26P。從計算結(jié)果可以看出激光能量在小孔內(nèi)的分布并不均勻，近3/4的激光能量集中在小孔的底部。

圖3 攪拌頭形狀Fig.3 Geometry of the welding tool

圖4 內(nèi)孔光線分布示意圖Fig.4 Sketch of laser transmission

圖5 光束截面能量分布示意圖Fig.5 Sketch of the laser energy distribution

3 溫度場計算模型建立

3.1 幾何模型

根據(jù)對稱關(guān)系取1/2工件進(jìn)行幾何建模，如圖6所示。工件的尺寸為50 mm×100 mm×3 mm，攪拌頭針部為圓柱體狀，直徑3 mm，長度3 mm，軸肩直徑12 mm。攪拌針部位的激光能量吸收孔直徑為1 mm，深度2 mm。

圖6 對稱幾何模型Fig.6 Symmetrical geometry

參考鋁合金鍛造過程中接觸換熱系數(shù)的實際測量，將攪拌頭與工件的換熱系數(shù)定義為常數(shù)[11]。接觸對定義為剛?cè)峤佑|，攪拌頭為熱傳導(dǎo)剛體，工件為變形體。利用Marc局部自適應(yīng)網(wǎng)格劃分定義接觸部分的單元，提高計算精度。利用Marc有限元軟件建立分段線性化的“溫度-性能”表來考慮溫度對6061鋁合金和攪拌頭材料的熱物理性能的影響。

3.2 熱源數(shù)學(xué)模型

1)激光加熱熱源模型

激光能量向材料內(nèi)部的傳遞是從表面進(jìn)行，激光熱源可視作表面熱源。基于對激光加熱能量傳遞過程的分析，表面熱源主要分為兩部分:孔底面熱源和孔壁面熱源，孔底面熱源為高斯分布，孔壁面熱源比重較少，假設(shè)為均勻分布。

2)攪拌摩擦焊熱源模型

攪拌頭的形狀如圖3，軸肩直徑2R1，攪拌針直徑2R2，攪拌針長度H，旋轉(zhuǎn)速度N，角速度ω，焊接壓力P，焊接過程中，軸肩產(chǎn)熱功率為:2/，其中，ω＝2πN；圓柱體攪拌針側(cè)面產(chǎn)熱功率為:2πμωPR22H。軸肩與板上表面的接觸面，產(chǎn)生摩擦熱，視作表面熱源，熱流密度沿徑向呈線性增加，攪拌針側(cè)面簡化為均勻的面熱源[12]。

4 結(jié)果及分析

4.1 攪拌頭原位旋轉(zhuǎn)溫度場

對焊接過程施加激光熱源輔助，是期望通過輔助熱源與摩擦熱的耦合，為焊接提供更多的熱輸入，提高焊縫金屬塑性，從而降低攪拌摩擦焊所需的作用力。圖7是將攪拌頭插入焊縫原位旋轉(zhuǎn)摩擦的情況下，加入激光輔助熱源得到的溫度場分布，在整個橫截面溫度分布中，攪拌頭中心的盲孔底部為溫度最高區(qū)域，激光熱量傳遞到攪拌頭外表面后與摩擦熱源耦合共同成為焊接熱輸入。

圖7 復(fù)合焊接溫度場Fig.7 Temperature field of hybrid welding

圖8 給出了旋轉(zhuǎn)速度為3000 rpm時，不加入激光和加入功率350 W激光的溫度場分布比較。從圖8(a)中可見，焊縫上表面溫度最高，達(dá)到了394℃，軸肩摩擦熱為主要熱源。圖8(b)是加入激光輔助熱源的溫度場分布，焊縫整體溫度得到提高，最高溫度為511℃，相比前者提高了117℃，從溫度云圖看，兩者溫度場分布很相似。

圖9給出了摩擦界面處焊縫沿厚度方向的溫度分布，對施加和未施加輔助熱源的兩種情況下溫度場分布進(jìn)行了比較。從圖9中可見，兩種情況下沿厚度溫度降低幅度和趨勢相似，上表面比下表面高大約25℃，這與熱傳遞過程以及工件下表面接觸支撐板有關(guān)。

圖8 焊縫溫度場分布Fig.8 Temperature distribution

圖9 焊縫厚度方向溫度分布Fig.9 Temperature distribution along the weld thickness

對于傳統(tǒng)的焊接過程，焊縫底部容易出現(xiàn)由于熱輸入不足、材料流動性差引起的未焊合等缺陷，圖10給出了是否加入輔助熱源兩種情況下焊縫底部距離攪拌針中心不同距離時的溫度分布情況。

圖10 遠(yuǎn)離焊縫中心的溫度分布Fig.10 Temperature distribution away from center

從圖10中可見，在靠近攪拌針處，加入激光得到的焊縫溫度超過了475℃，比未加入激光的高100℃左右，這有利于提高焊縫底部金屬的軟化程度，增加材料的流動能力，從而降低焊縫底部缺陷的發(fā)生率。在離攪拌針中心較遠(yuǎn)的區(qū)域，兩者的溫度分布趨勢相同，這表明輔助熱源加熱范圍限定在攪拌頭周圍很小的區(qū)域內(nèi)，具有局部加熱的特點。

4.2 焊縫動態(tài)溫度場分析

以上是在攪拌頭停留旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下對激光加熱過程作的分析，基于常規(guī)攪拌摩擦焊溫度場分析模型以及以上對復(fù)合焊接過程的分析，對輔助熱源模型作進(jìn)一步簡化，經(jīng)過多種嘗試后發(fā)現(xiàn)，施加在攪拌針中心的高斯圓柱體熱源可以很好地模擬激光輔助加熱的情況，圖11是加載熱源后得到的溫度場，可以明顯發(fā)現(xiàn)復(fù)合焊接峰值溫度較高，且焊接熱輸入影響范圍更寬。

圖11 焊縫上表面溫度云圖Fig.11 Temperature distribution on the weld surface

圖12 是激光功率為300 W，攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度為3000 rpm，不同焊接速度對應(yīng)的焊縫峰值溫度，隨著焊接速度的提高，焊縫峰值溫度逐漸下降，在相同焊接速度下，輔助熱源能夠提高焊縫的溫度，從而提高攪拌摩擦焊的焊接速度。

圖12 焊接速度對焊縫峰值溫度的影響Fig.12 Effects of welding speed on peak temperature

4.3 焊縫焊接效果對比

圖13是焊接參數(shù)為旋轉(zhuǎn)速度3000 rpm，焊接速度400 mm/min，對于有沒有加入激光的焊接效果進(jìn)行了對比。

圖13 焊縫橫截面對比圖Fig.13 Cross section of weld

從圖13可以發(fā)現(xiàn)，加入600 W的激光后，焊縫孔洞缺陷消失，說明，激光的加入增加了焊縫的溫度，提高了材料的塑性軟化，有助于消除焊接缺陷。

4.4 仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比

圖14是攪拌頭停留在焊縫中原位旋轉(zhuǎn)情況下，距焊縫中心不同距離處的仿真結(jié)果與實際測量的溫度場分布對比，可以看出仿真結(jié)果與實測曲線形狀十分相近，隨著遠(yuǎn)離焊縫中心距離的增加，焊縫溫度的大小和變化的速率幾乎一致。

圖14 攪拌頭原位旋轉(zhuǎn)焊縫溫度分布Fig.14 Weld temperature distribution during the welding tool rotation stage

圖15是試板上表面距焊縫中心10 mm處的特征點仿真結(jié)果與實際測量的熱循環(huán)對比，無論升溫段、峰值溫度和降溫段都吻合良好。

5 結(jié)論

1)原位旋轉(zhuǎn)溫度場分析表明，激光輔助熱源能夠?qū)嚢枘Σ梁傅暮缚p的最高溫度從394℃提高到511℃，激光熱量與摩擦熱源具有原位耦合的特點；

2)將激光輔助熱源的模型簡化加載后，可以很好的模擬復(fù)合焊接過程，焊縫溫度的提高，可極大降低焊接過程所需作用力，能夠適應(yīng)空間環(huán)境的攪拌摩擦焊低負(fù)載要求；

3)焊接結(jié)果表明，激光的加入能夠提高焊接熱輸入，改善焊縫質(zhì)量，仿真結(jié)果與實測結(jié)果對比的一致性說明，復(fù)合焊接分析模型能夠用于預(yù)測焊接過程的溫度場，為優(yōu)化工藝參數(shù)提供理論依據(jù)。

圖15 距焊縫中心10 mm處的熱循環(huán)Fig.15 Thermal cycle of the point 10 mm away from the weld center

（

）

[1]吳林，馮吉才，高洪明，等.空間焊接技術(shù)[J].航空制造技術(shù)，2005(5):32-35.Wu Lin，F(xiàn)eng Jicai，Gao Hongming，et al.Welding Technology In Space[J].Aeronautical Manufacturing Gechnology，2005(5):32-35.(in Chinese)

[2]邱惠中.空間焊接的現(xiàn)狀和發(fā)展前景[J].航天制造技術(shù)，1990(6):011.Qiu Huizhong.Current status and prospect of welding in space [J].Aerospace Manufacturing Technology，1990(6):011.(in Chinese)

[3]關(guān)橋.攪拌摩擦焊——未來的連接技術(shù)[C]//工程前沿——香山會議文集.2004，1.Guan Qiao.Firction Stir Welding—The Future Connection Technology[C]//Frontiers of Engineering—Xiang Shan Conference.2004，1.(in Chinese)

[4]Sinclair P C，Longhurst W R，Cox C D，et al.Heated friction stir welding:an experimental and theoretical investigation into how preheating influences process forces[J].Materials and Manufacturing Processes，2010，25(11):1283-1291.

[5]Ding J，Carter B，Lawless K，et al.A decade of friction stir welding R and D at NASA＇s Marshall Space Flight Center and a glance into the future[R].NTRS 544-2700，2006.

[6]Liu H J.Friction stir welding assisted by micro-plasma arc [J].Science and Technology of Welding and Joining，2009，3(14):193-195.

[7]Sun Y F，Konishi Y，Kamai M，et al.Microstructure and mechanical properties of S45C steel prepared by laser-assisted friction stir welding[J].Materials and Design，2013(47): 842-849.

[8]Merklein M，Giera A.Laser assisted Friction Stir Welding of drawable steel-aluminum tailored hybrids[J].International Journal of Mater Form，2008(1):1299-1302.

[9]Casalino G，Campanelli S，Ludovico A D，et al.Study of a fiber laser assisted friction stir welding process[C]//SPIE LASE.International Society for Optics and Photonics，2012: 823913-823913-7.

[10]張立文，朱德才，邢磊，等.鋁合金與5CrMnMo模具鋼界面接觸換熱系數(shù)實驗研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報，2009 (1):60-64.Zhang Liwen，Zhu Decai，Xing Lei，et al.Experimental measurement on thermal contact conductance coefficient between aluminum alloys and 5CrMnMo die steel[J].Journal of Dalian University of Technology，2009(1):60-64.(in Chinese)

[11]Song M，Kovacevic R.Thermal modeling of friction stir welding in a moving coordinate system and its validation[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43(6):605-615.

[12]王大勇，馮吉才，王攀峰.攪拌摩擦焊接熱輸入數(shù)值模型[J].焊接學(xué)報，2005，26(3):25-28.Wang Dayong，F(xiàn)eng Jicai，Wang Panfeng.Numerical model of heat input from rotational tool during friction stir welding [J].Transactions of the China Welding Institution，2005，26 (3):25-28.(in Chinese)

Numerical Analysis of Thermal Behavior in Heat Coaxially Assisted Friction Stir Welding

XU Hui，F(xiàn)ENG Xiaosong，YIN Yuhuan，MA Ziqi
(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer，Shanghai 200245，China)

According to the requirements of repair welding and assembly in space，a welding method of heat assisted solid-state welding was proposed to avoid the adverse effects of high vacuum and microgravity environment.The assisted heat source using laser heated hollow welding tool coaxially provided heat for welding.On the basis of the analysis of the behavior of laser energy absorbed in the small hole，the model of hybrid welding was established.The temperature field of hybrid welding process was calculated and analyzed using finite element method.The results showed that，laser heat source could increase the maximum temperature of FSW welds from 394℃ to 511℃，and the heating effect mainly focused on the material around the pin.The simplified model of laser-assisted heat was a good simulation of hybrid weld.With the same heat input，hybrid weld could improve the welding speed.Comparison between simulation results and measured results showed that，the establishment of the model was rational，and could be used to predict the hybrid welding temperature field，and to provide a theoretical basis for the optimization of process parameters

assisted heat；friction stir welding(FSW)；coaxial hybrid welding；numerical simulation

TG453.9

A

1674-5825(2015)03-0243-06

2014-12-01；

2015-03-25

載人航天預(yù)先研究項目(050201)；國家自然科學(xué)基金項目(51305272)；國家國際科技合作專項項目(2013DFR0420)

許輝(1989－)，男，碩士研究生，研究方向為攪拌摩擦焊技術(shù)。E-mail:ixuhui＠sina.com