王希靖，許有偉，劉 勇，郁志勇

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料國家重點(diǎn)實驗室，甘肅蘭州730050）

DP600/6061無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊溫度場研究

王希靖，許有偉，劉 勇，郁志勇

（蘭州理工大學(xué)甘肅省有色金屬新材料國家重點(diǎn)實驗室，甘肅蘭州730050）

根據(jù)無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程的特點(diǎn)，建立了簡化的熱輸入數(shù)值模型，利用有限元分析軟件ANSYS模擬1mm DP600鍍鋅鋼板和3mm 6061鋁合金板搭接無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中的瞬態(tài)溫度場分布和各特征點(diǎn)的熱循環(huán)曲線。通過模擬結(jié)果與熱電偶測得的各特征點(diǎn)溫度曲線的對比，發(fā)現(xiàn)隨著焊接過程的進(jìn)行，最高溫度出現(xiàn)在DP600上表面軸肩2/3處；對比分析不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下焊點(diǎn)區(qū)域溫度分布的情況，得到轉(zhuǎn)速對溫度分布的影響規(guī)律，進(jìn)而驗證了熱輸入模型和模擬方法的正確性，為工藝實驗參數(shù)的選取提供科學(xué)的依據(jù)。

溫度場；有限元模擬；無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊

0 前言

無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊是一種新型的固相連接技術(shù)，被焊材料焊接變形小、能量消耗少、生產(chǎn)成本低，在異種金屬焊接方面具有其他焊接方法無法比擬的優(yōu)勢[1-2]。它通過控制攪拌頭與工件的相對移動和攪拌針與軸肩的相對運(yùn)動，不僅增加了攪拌頭的作用區(qū)域，提高了接頭強(qiáng)度，而且使焊接過程中形成的退出孔得到填充，減少后續(xù)處理工序，應(yīng)用前景廣闊。

國內(nèi)外學(xué)者對攪拌摩擦點(diǎn)焊的研究大多集中在同種材料或熔點(diǎn)相近的異種材料之間，對于DP600鍍鋅鋼和6061鋁合金這樣熔點(diǎn)相差很大的異種金屬間的攪拌摩擦點(diǎn)焊過程的熱力學(xué)方面的理論和規(guī)律性研究卻很少。本研究通過建立簡化的熱源模型[3-8]，利用有限元分析軟件ANSYS對無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程的三個階段（插入階段、攪拌與后退階段、回抽階段）的溫度場進(jìn)行了模擬，確定無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中DP600表面以及與6061界面處的溫度分布和變化規(guī)律，為選取工藝實驗參數(shù)提供科學(xué)依據(jù)。試驗選用規(guī)格150 mm×50 mm×1 mm的DP600鍍鋅鋼板（上層）和150 mm×50 mm×3 mm的6061鋁合金板材（下層），搭接形式如圖1所示。DP600鍍鋅鋼板和6061鋁合金的主要化學(xué)成分如表1和表2所示。

圖1 工件搭接示意Fig.1Schematic of lap way

表1 試驗用DP600鍍鋅鋼板化學(xué)成分％Table 1Chemical compositions of 6061 aluminum ally

表2 試驗用6061鋁合金化學(xué)成分％Table 2Chemical compositions of 6061 aluminum ally

1 溫度場熱輸入數(shù)值模型

根據(jù)無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過程的特點(diǎn)，其生成熱主要來源于三部分[9-10]：①軸肩端面與焊件上表面間的摩擦熱；②攪拌針與焊件間的摩擦熱；③攪拌針附近金屬的塑性變形熱。綜合考慮每一部分的生成熱十分困難，因此，本研究簡化了熱輸入模型，即忽略焊接過程中焊件材料的變形熱，焊接過程的全部熱輸入為軸肩和攪拌針與焊接材料的摩擦做功[11]。無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊的攪拌頭示意如圖2所示。

圖2 攪拌頭示意Fig.2Stirring head schematic

1.1 軸肩與焊件表面的摩擦熱輸入

軸肩產(chǎn)熱實際有效區(qū)域為R1與R2之間的環(huán)，假設(shè)焊接壓力均勻地施加于軸肩，不隨半徑變化，則半徑為r，寬度為dr的微圓環(huán)上所受摩擦力為[12-14]

式中μ為摩擦系數(shù)。對于攪拌摩擦焊過程來說，在攪拌頭下壓階段，由于系統(tǒng)溫度不高，在壓力作用下，攪拌針與被焊材料之間偏向于擠壓摩擦，此時宜采用庫侖摩擦模型；隨著攪拌針的逐漸壓入，被焊材料的溫度升高，尤其是軸肩接觸到鋁板之后，鍍鋅鋼板的溫度急劇上升，攪拌頭與鋁板之間逐步向剪切摩擦過渡，宜采用常應(yīng)力摩擦模型[15]。

微圓環(huán)上軸肩旋轉(zhuǎn)作用力矩為

軸肩旋轉(zhuǎn)扭矩為

軸肩產(chǎn)熱功率為

式中ω為攪拌頭轉(zhuǎn)速；P為軸肩端面上所受的軸向力。

1.2 攪拌針與焊件的摩擦熱輸入

攪拌針半徑為R2，高度為H，設(shè)攪拌針承受的均勻壓力為P，則攪拌針旋轉(zhuǎn)扭矩為[12-14]

產(chǎn)熱功率為

2 數(shù)值模擬過程

2.1 有限元模型

不考慮材料塑性變形對產(chǎn)熱的影響，本研究在采用ANSYS有限元分析軟件模擬時選用SOLID70單元[16]。SOLID70是八節(jié)點(diǎn)六面體單元，每個節(jié)點(diǎn)只有一個溫度自由度并且能夠進(jìn)行熱傳導(dǎo)，滿足計算要求。在建立有限元模型時，通過獨(dú)立的設(shè)計焊點(diǎn)使兩種金屬只有在焊點(diǎn)處相連，其余搭接處只為相互接觸，即在焊點(diǎn)處的熱傳導(dǎo)相當(dāng)于在導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行，而搭接處的熱傳導(dǎo)相當(dāng)于在存在分離界面的導(dǎo)體間進(jìn)行，從而更準(zhǔn)確地逼近實際。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，為了保證計算的準(zhǔn)確性并盡可能減少計算量，采用了非均勻網(wǎng)格劃分[17]，在焊點(diǎn)中心附近的區(qū)域采用較密集的網(wǎng)格，遠(yuǎn)離焊點(diǎn)中心的區(qū)域采用較稀疏的網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖3所示。

圖3 有限元網(wǎng)格模型Fig.3Finite element meshed model

2.2 初始條件、邊界條件與熱載荷

材料的熱物理性能是影響溫度場的重要因素。DP600鍍鋅鋼板和6061鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)及比熱容隨溫度的變化數(shù)值如表3、表4所示。

表3 DP600鍍鋅鋼和6061鋁合金在不同溫度時的導(dǎo)熱系數(shù)Table 3DP600 galvanized steel and 6061 aluminum alloy thermal conductivity at different temperatures

表4 DP600鍍鋅鋼和6061鋁合金比熱容Table 4DP600 galvanized steel and 6061 aluminum alloy heat capacity at different temperatures

無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊有限元模型的載荷分布如圖4所示。軸肩端面與焊件接觸面施加熱流密度為已知的面載荷，攪拌針處為了避免節(jié)點(diǎn)奇異，將熱輸入定義為體載荷。在整個點(diǎn)焊過程中，待焊工件的熱量會從兩方面流失：（1）點(diǎn)焊過程中產(chǎn)生的熱量，使待焊工件與周圍環(huán)境之間形成溫度差，在待焊工件的各個表面上施加表面對流邊界條件，對流換熱系數(shù)為30 W/（m2·K）；（2）待焊工件底面與墊板之間產(chǎn)生熱傳導(dǎo)，熱傳導(dǎo)系數(shù)為200 W/（m2·K）[18]。

圖4 熱源模型示意Fig.4Schematic of heat source model

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊的溫度場分布

攪拌頭轉(zhuǎn)速ω=1 200 r/min時不同點(diǎn)焊階段對應(yīng)的溫度分布云圖如圖5所示。由圖5可知，攪拌針回抽完畢階段（t=16 s），整板的溫度分布要高于攪拌和后退階段（t=12 s）；隨著點(diǎn)焊過程的進(jìn)行，高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，但最高溫度一直位于軸肩2/3處，這是因為該區(qū)域相對于焊點(diǎn)中心位置攪拌頭旋轉(zhuǎn)的線速度較大，產(chǎn)生的熱量較多；另外，相對于焊點(diǎn)邊緣位置不能進(jìn)行有效的熱傳導(dǎo)，熱量不易散失。

圖5 ω=1 200 r/min時的溫度分布云圖Fig.5Temperature contours with ω=1 200 r/min

攪拌頭轉(zhuǎn)速1 200 r/min、焊接時間16 s時，焊點(diǎn)橫向剖面的溫度分布云圖如圖6所示?？梢钥闯觯缑嫣幾罡邷囟瘸霈F(xiàn)在軸肩作用區(qū)域前方2/3處；高溫區(qū)域主要集中在DP600這一層，這是因為鍍鋅鋼板為熱源中心作用的位置，而且DP600的導(dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于6061的導(dǎo)熱系數(shù)。高溫區(qū)域集中在DP600有助于熔點(diǎn)較高的DP600更容易達(dá)到超塑性狀態(tài)，使其具有更好的塑性流動性，從而增加攪拌頭的攪拌效果，改善焊點(diǎn)成形。

圖6 ω=1 200 r/min，t=16 s時焊點(diǎn)中心截面溫度分布云圖Fig.6Temperature contours of cross section of solder center at ω=1 200 r/min，t=16 s

3.2 不同轉(zhuǎn)速下溫度場的變化規(guī)律

在其他參數(shù)不變、攪拌頭轉(zhuǎn)速800～1 300 r/min時，DP600和6061峰值溫度隨轉(zhuǎn)速的變化如圖7所示。隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提升，DP600和6061的峰值溫度都有所升高，但DP600溫度的上升幅度要高于6061溫度的上升幅度，即攪拌頭轉(zhuǎn)速的變化對DP600的影響要大于對6061的影響。同時，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的提升，旋轉(zhuǎn)速度對溫度場的影響作用減緩，溫度變化增量減小。

圖7 DP600和6061的峰值溫度隨轉(zhuǎn)速的變化Fig.7Peak temperature of DP600 and 6061 changes with the rotation speed

無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接熔點(diǎn)相差較大的異種金屬時，在保證熔點(diǎn)較低的金屬不熔化的前提下，為了使熔點(diǎn)較高的金屬具有更好的塑性流動性，提高攪拌頭的攪拌效果和焊點(diǎn)的成形效果，應(yīng)最大程度地提高熔點(diǎn)較高材料的焊接溫度，即提高攪拌頭的轉(zhuǎn)速。由前述分析可知，當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速大于1 200 r/min時，轉(zhuǎn)速對焊接溫度的影響已為次要因素；另外，考慮到攪拌頭的旋轉(zhuǎn)速度太大又易造成飛邊和減薄量等缺陷，因此無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接DP600/6061時，攪拌頭轉(zhuǎn)速宜選為ω=1 200 r/min。

4 模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比

對無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊焊接過程中接頭上的各特征點(diǎn)進(jìn)行熱循環(huán)曲線測量實驗。實驗用鎳鉻—鎳硅K型熱電偶分別測量不同特征點(diǎn)處溫度隨時間的變化情況。試驗時從焊件底部鉆直徑為1.5 mm的小孔，先將熱電偶一端用電容焊偶儀焊至待測小孔中及DP600上表面，再用樹脂膠將小孔填滿壓實；另一端接至midi LOGGER GL220十通道溫度記錄儀。焊接時，記錄儀記錄測量點(diǎn)在不同轉(zhuǎn)速下的時間—溫度曲線。同時比較DP600和6061上表面在不同轉(zhuǎn)速、不同特征點(diǎn)的模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)，如表5所示，其中x表示該特征點(diǎn)距離焊點(diǎn)中心的位置。由表5可知，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)基本相符，表明所建立熱源模型的精準(zhǔn)度較高，從而驗證了采用ANSYS軟件對DP600/6061無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊溫度場計算方法的合理性。

5 結(jié)論

（1）通過數(shù)值模擬和實際測量無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中不同特征點(diǎn)的溫度，發(fā)現(xiàn)隨著點(diǎn)焊過程的進(jìn)行，高溫區(qū)域逐漸擴(kuò)大，但最高溫度一直處于DP600上表面軸肩2/3處。

表5 不同轉(zhuǎn)速下模擬與實測的最高溫度對比Table 5Contrast of maximum temperature of simulated and measured under different rotation speed ℃

（2）通過模擬DP600/6061無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊溫度場的數(shù)值，發(fā)現(xiàn)隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的升高，DP600和6061各自的峰值溫度都有所提高，DP600峰值溫度的上升幅度要高于6061峰值溫度的上升幅度。但當(dāng)攪拌頭轉(zhuǎn)速大于1200r/min時，攪拌頭轉(zhuǎn)速對溫度場的影響作用減緩。

（3）分析無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊的溫度場分布發(fā)現(xiàn)，該方法在焊接異種金屬時，通過合理的控制焊接參數(shù)，既能保證熔點(diǎn)較低的金屬不熔化，又能使熔點(diǎn)較高的金屬有較好的塑性流動性，從而有效減少焊接過程中缺陷的形成。

（4）對比不同攪拌頭轉(zhuǎn)速下無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊過程中的模擬數(shù)據(jù)與實驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)基本吻合，表明所建立熱源模型的精準(zhǔn)度較高，從而驗證了無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊溫度場計算方法的合理性。

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Temperature field simulation of DP600/6061 with non-keyhole friction stir spot welding

WANG Xijing，XU Youwei，LIU Yong，YU Zhiyong
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Based on the characteristics of non-keyhole friction stir spot welding process,a simplified heat input numerical model is established to simulate the transient temperature distribution and the thermal cycle curve of each feature point of 1 mm DP600 galvanized steel and 3 mm 6061 aluminum alloy by using the finite element analysis software ANSYS.Comparing the temperature of simulation and actual measurement，find the highest temperature appearing on the field of 2/3 of stirring head；comparing the distribution of temperature with different rotation speed，get the law of it.And then testify the correctness of the heat input models and the simulation methods，to provide scientific method to decide how to select craft parameters.

temperature field；finite element simulation；non-keyhole friction stir spot welding

TG402

A

1001－2303（2017）01－0096-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.18

獻(xiàn)

王希靖，許有偉，劉勇，等.DP600/6061無匙孔攪拌摩擦點(diǎn)焊溫度場研究[J].電焊機(jī)，2017，47（1）：96-100.

2015-11-03；

2016-11-28

國家自然科學(xué)基金項目（51265030）

王希靖（1956—），男，甘肅蘭州人，教授，主要從事焊接設(shè)備及其自動化、攪拌摩擦焊技術(shù)及焊接質(zhì)量控制方面的研究工作。