賀巍亮，魯 歡，王彥誠(chéng)，劉艷申

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空工程學(xué)院， 陜西 咸陽(yáng) 712000)

21世紀(jì)飛機(jī)輕量化的設(shè)計(jì)理念不僅可以提升飛機(jī)的燃油效率、降低能源的消耗，而且有助于提高飛機(jī)性能[1]。然而目前飛機(jī)結(jié)構(gòu)中薄壁蒙皮與肋條的裝配通常采用鉚接進(jìn)行連接。眾所周知，鉚接連接不僅容易造成飛機(jī)壁板氣密性變差，還會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)整體質(zhì)量的增加以及飛機(jī)結(jié)構(gòu)件強(qiáng)度的降低[2]。因此，當(dāng)下航空制造業(yè)領(lǐng)域急需采用新型連接工藝以替代原有的鉚接連接方式，從而實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的輕量化與高可靠性[3]。

英國(guó)焊接研究所于1991年開(kāi)發(fā)了一種適用于同種或異種材料對(duì)接、搭接等多種形式的新型焊接技術(shù)—攪拌摩擦焊(Friction Stir Welding，簡(jiǎn)稱FSW)[4]。與傳統(tǒng)熔化焊方法相比，F(xiàn)SW焊接工藝具有生產(chǎn)效率高、接頭質(zhì)量好和能源消耗低等優(yōu)點(diǎn)，并且由于它是在低于材料熔點(diǎn)下實(shí)施的固相焊接，因此避免了焊接后焊縫區(qū)域產(chǎn)生氣孔和熱裂紋等缺陷[5-6]。

本文針對(duì)飛機(jī)制造過(guò)程中常用的攪拌摩擦焊工藝，采用ABAQUS有限元分析軟件對(duì)鋁-鈦和鈦-鋁兩種搭接接頭攪拌摩擦焊工藝展開(kāi)三維數(shù)值模擬研究，并比較了不同焊接工藝的優(yōu)劣，旨在為實(shí)際生產(chǎn)摸索出合適的工藝參數(shù)提供參考。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

本次進(jìn)行攪拌摩擦搭接焊的材料選用TC4鈦合金和2024鋁合金，材料尺寸規(guī)格均為100 mm×100 mm×2 mm，搭接方式分為T(mén)i/Al搭接和Al/Ti搭接兩種，攪拌摩擦搭接焊示意圖如圖1所示。攪拌摩擦焊工藝參數(shù)對(duì)焊接接頭的力學(xué)性能和表面形貌都有重要影響，此外為了保證焊接過(guò)程中有足夠的熱輸入以期獲得質(zhì)量?jī)?yōu)異的接頭，本文采用的焊接工藝參數(shù)如表1所示。

圖1 攪拌摩擦搭接焊示意圖

表1 模擬用焊接參數(shù)

1.2 焊接熱源模型

本文采用李紅克等人建立的熱量自適應(yīng)熱源模型，該模型認(rèn)為當(dāng)焊接達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，攪拌摩擦焊接過(guò)程的熱輸入Q主要由攪拌頭與工件相互摩擦作用產(chǎn)生，摩擦力可轉(zhuǎn)換為待焊材料的剪切流變應(yīng)力與接觸面積的乘積[7-8]。同時(shí)根據(jù)Mises屈服準(zhǔn)則，最終將摩擦力轉(zhuǎn)換為與材料屈服強(qiáng)度有關(guān)的表達(dá)式。將軸肩的熱流密度定義成關(guān)于焊縫中心面對(duì)稱分布的面熱源qs，攪拌針熱流密度近似為熱量均勻分布的體熱源qp，且忽略焊接過(guò)程中只占很少量的塑性變形產(chǎn)熱。即

面熱源計(jì)算公式可表示為

(1)

體熱源計(jì)算公式可表示為

(2)

式中：Qs=0.75Q，Qp=0.25Q；R1為攪拌針半徑，R0為攪拌頭軸肩半徑，mm；H為攪拌針高度,mm。

1.3 網(wǎng)格劃分

圖2是焊接模型有限元網(wǎng)格的劃分情況。模型采用單元類(lèi)型為八節(jié)點(diǎn)六面體的C3D8T單元的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，該單元能夠承受表面和體積載荷，可用于三維穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱固耦合分析。FSW過(guò)程是不均勻加熱過(guò)程，為了保證模擬的準(zhǔn)確性以及減少計(jì)算成本，采用非均勻網(wǎng)格進(jìn)行劃分。焊縫及近焊縫區(qū)域由于溫度及應(yīng)力變化劇烈，網(wǎng)格采用尺寸為1 mm×1 mm×1 mm的小網(wǎng)格；而遠(yuǎn)離焊縫區(qū)域由于熱傳導(dǎo)的作用，溫度變化相對(duì)不劇烈，因此采用較稀疏的網(wǎng)格。

圖2 網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件

鋼制墊板和壓板在實(shí)際FSW過(guò)程中用于支撐和固定焊件，墊板和壓板與焊件的接觸散熱面積較大，進(jìn)而在模擬中充分考慮墊板和壓板造成的熱損失顯得尤為重要。本文假定焊件的初始溫度以及周?chē)h(huán)境溫度均為20 ℃。試樣與工裝之間的接觸散熱系數(shù)為200 W/(m2·℃)，與空氣接觸的鋁合金自由表面對(duì)流散熱系數(shù)為40 W/(m2·℃)，鈦合金自由表面對(duì)流散熱系數(shù)設(shè)為20 W/(m2·℃)，焊縫區(qū)域的對(duì)流散熱系數(shù)為100 W/(m2·℃)，輻射率設(shè)為0.75。

1.5 材料屬性和模擬參數(shù)

攪拌摩擦焊焊接過(guò)程屬于典型的非線性瞬態(tài)過(guò)程，焊縫材料經(jīng)過(guò)攪拌頭高速旋轉(zhuǎn)被加熱到極高溫度，隨著攪拌頭前移焊縫區(qū)域材料又迅速冷卻。在這個(gè)過(guò)程中，材料的物理特性參數(shù)(如熱傳導(dǎo)率λ、比熱容C)都會(huì)隨著溫度變化而變化，這些性能會(huì)極大程度地影響到攪拌摩擦搭接焊溫度場(chǎng)的精確模擬。本文所使用的TC4鈦合金和2024鋁合金材料熱物理參數(shù)如圖3所示。

圖3 TC4鈦合金和2024鋁合金材料熱物理參數(shù)

2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.1 溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用K型熱電偶對(duì)攪拌摩擦焊接過(guò)程進(jìn)行溫度測(cè)試，以期驗(yàn)證所建立模型的合理性與準(zhǔn)確性。為了保證測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)嚴(yán)密性，垂直于焊縫方向選擇兩處特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)溫，測(cè)溫點(diǎn)位置如圖4所示。以Al/Ti搭接為例，各參數(shù)下實(shí)驗(yàn)測(cè)溫所得溫度峰值(如圖5所示)分別為：255.506、251.702、278.184、273.39、320.91 ℃。而模擬所得到的溫度峰值分別為：238.3、265.9、290.7、280.95、330.1 ℃。通過(guò)比對(duì)發(fā)現(xiàn)兩者的誤差分別為：7.22%、5.64%、4.49%、2.76%、2.86%。實(shí)驗(yàn)和模擬較小的誤差直接證明了本文所建立的模型能夠準(zhǔn)確地描述焊接過(guò)程。

圖4 測(cè)溫點(diǎn)位置示意圖(mm)

圖5 模擬與實(shí)驗(yàn)溫度峰值對(duì)比

2.2 模擬結(jié)果分析

2.2.1 焊接溫度場(chǎng)云圖的分析

圖6是不同搭接工藝下攪拌摩擦焊的溫度場(chǎng)云圖分布情況。搭接接頭的溫度峰值位于攪拌頭與試樣的直接作用區(qū)域，且距離攪拌頭中心越遠(yuǎn)的區(qū)域溫度也會(huì)逐漸降低。由于鋁合金和鈦合金的搭接屬于異種合金搭接，鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)遠(yuǎn)大于鈦合金。這就造成了高溫區(qū)域沿焊縫兩側(cè)呈現(xiàn)非對(duì)稱分布，且熱量不斷向周?chē)鷶U(kuò)散形成明顯的溫度梯度，最終導(dǎo)致焊件上表面的高溫區(qū)域呈現(xiàn)典型的橢圓形。

圖6 不同搭接工藝下的溫度場(chǎng)分布云圖

在焊接穩(wěn)態(tài)階段中，攪拌頭后方的材料先后經(jīng)歷了摩擦生熱以及后續(xù)的熱傳導(dǎo)加熱，而前方未焊接的材料在攪拌頭未達(dá)到之前，溫度的變化主要受熱傳導(dǎo)的影響。因此，兩種搭接工藝下攪拌頭后方的溫度梯度均小于前方的溫度梯度。

對(duì)于攪拌摩擦焊而言，摩擦熱主要來(lái)自于攪拌頭與材料的摩擦，其中軸肩產(chǎn)熱約為攪拌針產(chǎn)熱的三倍[9]；同時(shí)焊縫底部與鋼制墊板接觸，兩者之間接觸換熱系數(shù)遠(yuǎn)大于焊縫上表面與空氣之間對(duì)流換熱系數(shù)。在熱輸入比例與換熱系數(shù)的雙重作用下，使得焊件上表面的高溫區(qū)域?qū)挾却笥诘撞浚瑥亩鴮?dǎo)致搭接接頭橫截面上溫度分布呈現(xiàn)碗狀，如圖7所示。

圖7 搭接接頭橫截面溫度場(chǎng)分布

2.2.2 轉(zhuǎn)速對(duì)于溫度循環(huán)曲線的影響

焊接速度為30 mm/min時(shí)，不同轉(zhuǎn)速條件下焊縫中心的溫度循環(huán)曲線如圖8所示，隨著攪拌頭前移，焊縫中心的溫度值也隨之上升，當(dāng)攪拌頭達(dá)到所選取的焊縫中心特征點(diǎn)時(shí)，溫度達(dá)到峰值。由于焊接過(guò)程中攪拌頭始終處于動(dòng)態(tài)，隨著攪拌頭的遠(yuǎn)離焊縫中心特征點(diǎn)的溫度逐漸降低，中間沒(méi)有明顯的保溫過(guò)程。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，焊縫中心點(diǎn)的溫度峰值增大，以Al/Ti搭接為例，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為1 000、1 100、1 200、1 300、1 400和1 500 rpm時(shí)，焊縫點(diǎn)的溫度峰值分別達(dá)到272.2、282.7、303.3、327.3、361.5和374 ℃。在相同的焊接速度下，旋轉(zhuǎn)速度的增加意味著在單位時(shí)間內(nèi)攪拌頭與材料之間摩擦圈數(shù)增大，并使得摩擦產(chǎn)熱增多，進(jìn)而導(dǎo)致焊縫中心點(diǎn)的溫度峰值升高，這一現(xiàn)象同樣適用于Ti/Al搭接。

圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)焊縫中心溫度峰值的影響

垂直于焊縫方向測(cè)溫特征點(diǎn)的分布位置如圖9 (a)所示，其中特征點(diǎn)距焊縫中心的距離分別為2、14和29 mm。以Al/Ti搭接為例，圖9 (b)和9(c) 為垂直于焊縫方向特征點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線。由圖9可知，各參數(shù)下特征點(diǎn)的溫度循環(huán)趨勢(shì)基本相同，且距離焊縫中心越近，焊接加熱階段溫度升高越劇烈，溫度峰值越高。而遠(yuǎn)離焊縫中心的特征點(diǎn)僅受到熱傳導(dǎo)的作用，因此其溫度上升得越緩慢,溫度峰值越低。

圖9 垂直于焊縫不同參數(shù)下特征點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線

2.2.3 轉(zhuǎn)速對(duì)于搭接界面點(diǎn)溫度的影響

圖10是在焊接速度為30 mm/min，不同旋轉(zhuǎn)速度對(duì)搭接界面點(diǎn)溫度影響的循環(huán)曲線，圖10(a)為焊接穩(wěn)態(tài)階段中選取的搭接界面點(diǎn)位置，10(b)和(c)為不同搭接條件下搭接點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線。由圖10(b)和圖10(c)可知搭接界面點(diǎn)的溫度趨勢(shì)基本相同，當(dāng)攪拌頭達(dá)到搭接界面點(diǎn)時(shí)，界面點(diǎn)溫度達(dá)到最大值；隨著攪拌頭遠(yuǎn)離搭接界面點(diǎn)溫度逐漸下降，但是還會(huì)受到攪拌頭摩擦熱的影響而使得溫度下降較為緩慢；當(dāng)焊接結(jié)束后，搭接界面點(diǎn)的溫度下降趨勢(shì)變大，即經(jīng)歷了迅速升溫和降溫的過(guò)程。

圖10 搭接界面點(diǎn)的溫度循環(huán)曲線

對(duì)比圖8和圖10的溫度循環(huán)曲線可以看到，搭接界面點(diǎn)的溫度峰值均小于搭接接頭焊縫上表面點(diǎn)溫度峰值，這與攪拌針與軸肩的產(chǎn)熱量的差異有關(guān)。對(duì)于Al/Ti搭接(鋁上鈦下)而言，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為1 100、1 200、1 300、1 400和1 500 rpm時(shí)，搭接界面點(diǎn)的溫度峰值分別達(dá)到253、267、290、317和340 ℃。由于TC4鈦合金熔點(diǎn)遠(yuǎn)大于2024鋁合金，攪拌頭無(wú)法在搭接界面上生成足夠熱量以保證材料的塑性流動(dòng)，這會(huì)導(dǎo)致搭接接頭組織產(chǎn)生孔洞、界面遷移等缺陷，從而嚴(yán)重影響到搭接接頭的質(zhì)量。

對(duì)于Ti/Al搭接(鈦上鋁下)而言，當(dāng)轉(zhuǎn)速分別為270、250、230、210和190 rpm時(shí)，搭接界面點(diǎn)的溫度峰值分別達(dá)到570.9、530.3、505.7、490.7和450.8 ℃。經(jīng)查閱文獻(xiàn)得出[10]，2024鋁合金的熔點(diǎn)范圍485～520 ℃，因此當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為190～230 rpm時(shí)，界面點(diǎn)的溫度峰值小于2024鋁合金液相線溫度，攪拌頭作用區(qū)域的鋁合金材料呈現(xiàn)半固態(tài)性質(zhì)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度為250和270 rpm時(shí)，界面點(diǎn)的溫度峰值大于材料的液相線溫度，搭接界面區(qū)域材料熔化，但由于FSW過(guò)程中攪拌頭一直向前移動(dòng)，材料在高溫下的停留時(shí)間較短，雖然溫度峰值高于材料的液相線溫度，但是鋁合金下板的材料熔化較少。當(dāng)焊接參數(shù)合理時(shí)，采用鈦上鋁下搭接方式能夠保證足夠的熱輸入以提高焊接接頭質(zhì)量。

3 結(jié) 論

(1)在攪拌摩擦搭接焊的穩(wěn)態(tài)階段，由于軸肩產(chǎn)熱大于攪拌針產(chǎn)熱，導(dǎo)致搭接界面點(diǎn)的溫度低于上表面焊縫區(qū)溫度，并且接頭橫截面上溫度分布呈現(xiàn)碗狀。

(2)隨攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度的增加，相比于鋁上鈦下搭接由于熱輸入不足造成的焊接缺陷，鈦上鋁下搭接工藝可以保證焊接接頭的質(zhì)量。