張施楠 李 偉 奚 泉

(九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江西九江 332005)

攪拌摩擦焊與傳統(tǒng)的熔化焊接方法相比具有晶粒細小、焊縫綜合力學(xué)性能良好，以及無煙塵、無飛濺、節(jié)能、無需焊絲和保護氣等優(yōu)點。目前攪拌摩擦焊主要用于鋁合金、鈦合金等有色金屬合金的焊接，廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。

攪拌摩擦焊的焊接過程涉及溫度場的變化、應(yīng)力應(yīng)變變化及塑性態(tài)金屬的流動，其焊縫成型是一個非常復(fù)雜的耦合過程。單純依靠試驗建模和理論建模的手段來研究攪拌摩擦焊的焊接過程具有比較大的局限性。數(shù)值模擬技術(shù)的興起與發(fā)展，給攪拌摩擦焊的研究提供了一個新的思路和方向，憑借其建模迅速、處理復(fù)雜問題等特點，在攪拌摩擦焊的分析過程中得到廣泛運用。

Fluent軟件是一個用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動與傳熱現(xiàn)象的專用軟件。文章以6061鋁合金為母材，在Fluent軟件中構(gòu)建其攪拌摩擦焊流場模型，其中攪拌頭尺寸為r1=12mm，r2=4mm，h=9.6mm。(r1、r2為攪拌針的半徑，h為攪拌針長度)，并對其攪拌摩擦焊焊接過程進行模擬及有限元分析。

1 建模

1.1 幾何建模

圖1所示為幾何建模模型，其尺寸為400mm×200mm×10mm，攪拌頭尺寸為r1=12mm，r2=4mm，h=9.6mm。(r1、r2為攪拌針的半徑，h為攪拌針長度)

圖1 幾何模型

1.2 確定金屬粘度

在攪拌摩擦焊焊接過程中把焊縫區(qū)域塑性金屬看做高粘度且不可壓縮的流體，根據(jù)文獻[1]得到粘度計算公式：

(1)

Zener和Hollomon于1944年提出并且試驗驗證了確定鋼的高速拉伸實驗σ-ε關(guān)系的一種方法[1]，即：

σ=σ(Z,ε)

(2)

式(2)中，ε為真應(yīng)變，Z為Zener-Hollomon參數(shù) ，即：

(3)

式(3)中，Q為熱變形激活能T為變形時的溫度，R為氣體摩爾常數(shù)。

由文獻[1]得：

σ=(1/α)In{(Z/A)}1/n+[(Z/A)2/n+1]1/2} (4)

式(4)中 ，α、A、n均為與材料有關(guān)的常數(shù)。由式(1)、(2)、(3)、(4)得

(5)

在Fluent的流體模型中并不存在現(xiàn)成的適用于攪拌摩擦焊塑性金屬的流體模型，故需使用Fluent的UDF功能，自定義流體粘度。

2 網(wǎng)格劃分

該模型采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分，攪拌頭附近網(wǎng)格劃分更加細小，而遠離攪拌頭的區(qū)域網(wǎng)格會略大，劃分好的網(wǎng)格如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

3 邊界條件設(shè)定

如圖3所示，邊界條件設(shè)定如下：

(1)右側(cè)面為流體出口，邊界類型為Outflow，出流邊界上的變量由區(qū)域內(nèi)部直接外推得到，無需設(shè)定。

(2)左側(cè)面為流體入口，邊界類型為VELOCITY_INLET，速度等于焊接速度。

(3)攪拌針的面邊界類型為旋轉(zhuǎn)墻，旋轉(zhuǎn)速度等于攪拌頭的轉(zhuǎn)速。

(4)上、下表面邊界類型為移動墻，移動速度等于焊接速度。

圖3邊界條件設(shè)定示意圖

4 求解

該模型采用模型中的RNG k-q模型[2]，迭代計算1 500次后結(jié)果收斂。

5 有限元分析結(jié)果及討論

5.1 三維流場模擬結(jié)果

圖4所示為塑性金屬流場的三維圖，其中X負方向為焊接方向，Z為厚度方向，軸肩旋轉(zhuǎn)方向為逆時針方向。焊縫上部區(qū)域塑性金屬的流動較為劇烈，下部區(qū)域塑性金屬的流動相對微弱。

圖4 三維流場模擬圖

5.2 豎直方向的模擬結(jié)果

從圖5中可以看出，速度較大的點都集中在攪拌針的附近，說明越遠離軸肩的攪拌區(qū)域其黏度越高，速度大小越平均。

圖5 豎直方向模擬結(jié)果圖

由圖5(a)可知：在后退側(cè)(RS側(cè))，大部分的塑性金屬沿著攪拌針區(qū)域向表面運動，少部分塑性金屬沿著攪拌針區(qū)域向底部運動，在攪拌摩擦焊焊接過程中，后退側(cè)的上部會形成一個瞬時空腔，形成一個負壓區(qū)域，故后退側(cè)的塑性金屬會向表面運動，來填補這個瞬時空腔。由圖5(b)得知，后退側(cè)有一部分塑性金屬向上運動的同時也沿焊接方向相反的方向運動，說明在攪拌摩擦焊的后退側(cè)部分塑性金屬向后運動，部分塑性金屬向前運動。

從圖5(a)可以看出，在前進側(cè)(AS側(cè))，大部分的塑性金屬是沿著水平方向朝攪拌針流動，只有一小部分塑性金屬在向攪拌針運動的同時向表面或底面運動，這說明在前進側(cè)塑性金屬沿厚度方向的流動并不劇烈。由圖5(b)可知：在前進側(cè)塑性金屬都沿焊接方向運動。

5.3 水平方向的模擬結(jié)果

由圖6(a)、(b)能發(fā)現(xiàn)流場的速度分布趨勢：離攪拌工具越近的塑性區(qū)域，塑性金屬的流速越大，反之離攪拌工具越遠的區(qū)域，塑性金屬流速越小。沿厚度方向，隨著厚度的增大，塑性金屬的流速減小，流場越不規(guī)律，這是因為在焊縫的底部區(qū)域不受到軸肩的影響，只受到攪拌針的影響，而且在焊縫底部的溫度比軸肩低，底部的粘性大于軸肩區(qū)域的黏度，故在焊縫底部區(qū)域流速小，流場變得不規(guī)律。

圖6 水平方向流場模擬結(jié)果圖

6 結(jié)論

根據(jù)10mm厚的6061鋁合金攪拌摩擦焊的三維流場特征，構(gòu)建流場的主控方程和定解條件。

以Fluent軟件中的RNG 模型為依托，進行迭代求解，得到其三維流場模型。

分析求解得到的三維流場模型，模擬結(jié)果表明：隨著厚度的增加，攪拌工具作用隨之減弱，塑性金屬的流動速度也隨之減弱，并且厚度越大流場越不規(guī)律；塑性金屬向前流動的趨勢要弱于向后流動。