劉清賢，楊濱，東青，孫獎(jiǎng)

1北京科技大學(xué)，北京，100083；2先進(jìn)技術(shù)研究院，西雅圖，98033

引言

攪拌摩擦焊（FSW）是英國(guó)焊接技術(shù)研究所（TWI）于1991年發(fā)明的一種固相連接方法。由于它具有力學(xué)性能優(yōu)異、效率高、污染小等諸多優(yōu)點(diǎn)，適合鋁鎂等有色金屬及其合金的焊接，自發(fā)明初就得到了人們廣泛關(guān)注和深入研究。

攪拌摩擦焊增材制造（AFAM）是基于現(xiàn)有的攪拌摩擦焊技術(shù)，將其機(jī)理延伸和拓展到增材制造領(lǐng)域的新技術(shù)。在增材制造中，殘余應(yīng)力嚴(yán)重影響材料的疲勞壽命和穩(wěn)定性，同時(shí)溫度場(chǎng)是影響材料應(yīng)力場(chǎng)的重要因素。由于溫度難以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，無(wú)法精準(zhǔn)評(píng)估其對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響，因此有必要對(duì)溫度場(chǎng)和殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)值模擬。張昭[1]等人提出了雙軸肩攪拌頭產(chǎn)熱功率的計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)攪拌摩擦焊接T型接頭殘余狀態(tài)的預(yù)測(cè)。Khandkar[2]等人模擬了6061和2024兩種鋁合金的攪拌摩擦焊接后的殘余應(yīng)力，實(shí)驗(yàn)結(jié)果趨勢(shì)和Sutton[3]等人的大致吻合。本文基于完全熱力耦合模型，建立了熱輸入功率和轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了溫度場(chǎng)的模擬，并在溫度場(chǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了殘余應(yīng)力的模擬。

1 數(shù)值模擬建模

1.1 有限元模型

采用八節(jié)點(diǎn)實(shí)體導(dǎo)熱單元solid70，基板尺寸為150×40×8mm，增材尺寸為150×10×8mm，攪拌頭軸肩直徑20mm，進(jìn)行不均勻網(wǎng)格劃分，共劃分網(wǎng)格29899個(gè)，單元25600個(gè)。

1.2 材料的熱物性參數(shù)

選取實(shí)驗(yàn)材料為7050鋁合金，基板尺寸150×40×8mm，增材寬度為10mm.攪拌頭為鎢鋼，實(shí)驗(yàn)材料的具體熱物性參數(shù)如見(jiàn)表1：

泊松比為0.33，

表1 7050鋁合金不同溫度下熱物性參數(shù)

攪拌頭轉(zhuǎn)速750r/min，行進(jìn)速度60 mm/min。

1.3 熱源模型

攪拌摩擦焊的主要熱源是摩擦生熱，由于AFAM中沒(méi)有攪拌針，故軸肩成為主要熱源，因此采用面熱源模型。熱流密度可以表示為：

其中R為軸肩半徑，0＜r＜R，Q為熱輸入功率。其中，扭矩和轉(zhuǎn)速之間關(guān)系如下式[4]：

其中w為攪拌頭轉(zhuǎn)速。

1.4 邊界條件

假設(shè)攪拌頭和基板結(jié)合面不發(fā)生熱量交換，其他和空氣接觸的面的換熱系數(shù)18 W＊（m2＊℃），墊板和空氣的換熱系數(shù)1800 W＊（m2＊℃），環(huán)境溫度10℃。

1.5 殘余應(yīng)力模擬

進(jìn)行殘余應(yīng)力模擬前需要載入溫度場(chǎng)文件，然后施加載荷進(jìn)行求解。由于焊接屬于大變形，在設(shè)定分析選項(xiàng)時(shí)，需要打開(kāi)大變形選項(xiàng)。用Newton-Rahpson迭代法進(jìn)行求解。

圖1 時(shí)間為6，80，156s時(shí)溫度場(chǎng)云圖

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度場(chǎng)模擬結(jié)果

在攪拌頭轉(zhuǎn)速為750 r/min，前進(jìn)速度為60 mm/min條件下，攪拌頭預(yù)熱時(shí)間6s，焊接時(shí)間150s，冷卻時(shí)間154s。焊接結(jié)束時(shí)溫度場(chǎng)如下圖所示。由圖1可知，溫度的分布呈現(xiàn)橢球形，最高溫度范圍在軸肩內(nèi)，表明了軸肩是增材制造的主要熱源。

整個(gè)焊接過(guò)程可以分為：

（1）初始升溫過(guò)程，此時(shí)峰值溫度比較預(yù)熱結(jié)束約上升100℃；

（2）增材制造達(dá)到穩(wěn)定后，峰值溫度隨之穩(wěn)定；

（3）增材制造結(jié)束，溫度有所上升。結(jié)合實(shí)際增材制造過(guò)程，這是由于增材制造過(guò)程趨近于結(jié)束時(shí)，墊板散熱面積較初始下降，而產(chǎn)熱量不變，造成單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)熱大于散熱，從而推動(dòng)增材制造結(jié)束時(shí)溫度上升。同時(shí)，在接近結(jié)束時(shí)，墊板本身也存在熱量累積，也會(huì)導(dǎo)致溫度上升。

圖2 不同位置溫度變化曲線圖

圖3 不同位置殘余應(yīng)力曲線圖

圖2為焊縫中心線方向上表面距離初始位置30、60、90、120mm處各點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化情況。由圖2可知，隨攪拌頭向前移動(dòng)，各處溫度依次達(dá)到峰值，然后迅速下降。

2.2 殘余應(yīng)力模擬結(jié)果

圖3是增材樣件上表面垂直于焊縫中心線處縱向、橫向以及厚度方向殘余應(yīng)力的數(shù)值模擬變化曲線。由圖3可知，厚度方向的殘余應(yīng)力幾乎為0，可以忽略，主要?dú)堄鄳?yīng)力為縱向殘余應(yīng)力。造成這一規(guī)律的主要原因是在增材制造過(guò)程中，鋁合金同時(shí)受到溫度場(chǎng)和攪拌頭軸肩的應(yīng)力作用，當(dāng)軸肩攪拌到此處時(shí)，產(chǎn)生熱量的擴(kuò)散，由于溫度的下降容易發(fā)生材料的收縮，同時(shí)周?chē)牟牧霞s束作用進(jìn)而產(chǎn)生了縱向殘余應(yīng)力。在增材制造過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生相變，這種不穩(wěn)定狀態(tài)隨著冷卻保留到室溫狀態(tài)。

從樣件上表面到下表面殘余應(yīng)力逐漸遞減，從拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力。此規(guī)律和溫度場(chǎng)的分布基本相同，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)產(chǎn)生的熱應(yīng)力是增材制造的殘余應(yīng)力的主要影響因素。由于單位長(zhǎng)度的焊縫的熱輸入量和焊接速度二者呈負(fù)相關(guān)，即焊接速度減小，單位長(zhǎng)度的熱輸入量增大[5]。利用此特性，可以有效減小增材制造過(guò)程中的局部區(qū)域受熱不均勻，從而減小增材制造的殘余應(yīng)力。

3 結(jié)論

1.在轉(zhuǎn)速750 r/min，行進(jìn)速度60mm/min時(shí)，7050鋁合金AFAM的峰值溫度在500℃范圍內(nèi)，在固相線以下；

2.殘余應(yīng)力主要為縱向殘余應(yīng)力，在軸肩以內(nèi)為拉應(yīng)力，以外為壓應(yīng)力；厚度方向數(shù)值很小，幾乎不變；

3.熱應(yīng)力是殘余應(yīng)力的主要影響因素，殘余應(yīng)力的分布與熱應(yīng)力有關(guān)。

參考文獻(xiàn)

[1]張昭，劉會(huì)杰.攪拌頭形狀對(duì)攪拌摩擦焊材料變形和溫度場(chǎng)的影響[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（3）：5-8.

[2]Khandkar M Z H，Khan J A，Reynolds A P，et al. Predicting residual thermal stresses in friction stir welded metals[J]. Journal of Materials Processing Tech，2006，174（1-3）：195-203.

[3]Sutton M A，Reynolds A P，Wang D Q，et al. A Study of Residual Stresses and Microstructure in 2024-T3 Aluminum Friction Stir Butt Welds[J]. Journal of Engineering Materials &Technology，2002，124（4）：215-221.

[4]張正偉. 攪拌摩擦焊接構(gòu)件殘余狀態(tài)和疲勞壽命研究[D]. 大連理工大學(xué)，2014.

[5]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(bào)，2005，26（3）：25-28.