焦耳热对搅拌摩擦焊耦合温度场的影响

焦耳热对搅拌摩擦焊耦合温度场的影响
田兴春;董霖;徐伟;文桥;陶景青
【摘要】运用COMSOL Multiphysics对搅拌摩擦焊接建立耦合温度场模型，模
拟和分析了模型在有无载流条件下温度场分布及其变化规律。

结果表明：无载流时，最高温度主要分布在搅拌头与工件的接触区域，工件上焊接前侧的温度分布面积大于后侧，但前侧温度等值面分布相对后侧稀疏，使得焊接前侧温度梯度小于后侧；载流时，温度及等值面分布与无载流时基本相同，但载流后轴肩上的温度分布面积大于无载流；当焊接速度、法向压力、转速、位移不变时，载流条件下焦耳热与摩擦热耦合产生的最高温度远高于无载流时的摩擦热产生的最高温度，二者对比可知相同的发热效率下载流较大地降低了对法向压力的要求。

%Based on the friction stir welding rig,the temperature field model was established by FE software COMSOL Multiphysics under the coupling effect of Joule-heat and friction heat. The coupled temperature field distribution and varia-tion rule of the analysis model were simulated and analyzed under current-carrying or not. The results show that,under the condition of without current-carrying,the maximum temperature mainly distributes on the contact area of the pin tool and work piece,the temperature distribution area in front of work piece is larger than that in the rear,the theisothermal layer distribution of the front gets sparser compared with the rear,and the welding temperature gradient of the rear side is greater than that of the front. Under the condition of current-carrying,the temperature distribution and isothermal layer with cur-rent is basically the same as that without current. The temperature distribution area of shoulder with current is greater than
that without current. Under the constant welding velocity,axial
force,rotation velocity and displacement,the maximum temperature produced by coupling function of Joule-heat and friction heat is much higher than that produced by friction heat. The axial force required in the same heating efficiency is greatly reduced under the condition of current-carrying.
【期刊名称】《润滑与密封》
【年(卷),期】2014(000)008
【总页数】5页(P68-72)
【关键词】耦合;温度场;载流;焊接速度
【作者】田兴春;董霖;徐伟;文桥;陶景青
【作者单位】西华大学机械工程与自动化学院四川成都610039;西华大学机械工程与自动化学院四川成都610039;西华大学机械工程与自动化学院四川成都610039;西华大学机械工程与自动化学院四川成都610039;西华大学机械工程与自动化学院四川成都610039
【正文语种】中文
【中图分类】TH117.1
搅拌摩擦焊(Friction Stir Welding，简称FSW)是英国焊接研究所(The Welding Institute，简称TWI)于1991年发明并获世界范围内专利保护的新型固相焊接技术，也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短且发展最快的一项高效的连接技术，被誉为“世界焊接史上的第二次革命” [1]。

FSW与传统焊接
相比较，具有优质、高效、低耗、焊接变形小、无污染等特点，特别是在薄板焊接中具有其他焊接方法远远无法比拟的优势[2]，被广泛应用于航空、航天、船舶、
列车、汽车、电子、电力等工业领域，创造了可观的社会和经济效益。

对于这一先进的新型固连技术，近些年国内外做了大量的研究工作，目的在于进一步提高焊接质量及效率。

比如对FSW工艺参数进行优化设计，得到工艺参数与焊接质量间更加精确的联系，从而使得接头性能、焊接质量达到更好的效果[3]。

目前对于FSW 的研究并不仅仅局限于单一物理场，更多的是对多场耦合作用下焊接过程与结果的研究，比如将热与力耦合可以得出FSW焊接过程中温度分布与循环，焊后的残余应力及变形也可以得到体现[4]。

研究表明, 电场对摩擦磨损存在影响。

为此罗建和项俊峰等[5-6]将电流引入搅拌摩擦焊接中，实现电场与温度场的耦合。

他们采用无电刷独特的电流加载方法，在摩擦焊接头通入电流而使摩擦界面产生焦耳热，该焦耳热与摩擦热形成摩擦复合热源，共同对接头加热、摩擦塑变而实现焊接。

本文作者主要研究了焊接过程中焦耳热耦合摩擦热作用下的温度场变化。

1.1 三维仿真模型
搅拌摩擦焊接的三维模型如图1所示。

1.2 热源模型
该仿真模型热源包括搅拌针、搅拌头轴肩与工件摩擦所产生的摩擦热，及外加电流在工件内部产生的焦耳热。

搅拌针摩擦产热公式[7-9]：
式中：μ为摩擦因数；rp为搅拌针半径(m)；ω为搅拌头转速(r/min)；为材料的
平均剪切应力(Pa)。

当材料温度T低于材料的熔点时，即T<Tmelt时搅拌头轴肩摩擦产热公式[7-9]：当T>Tmelt时搅拌头轴肩摩擦产热公式[7-9]：
q(r,T)=0
式中：Fn为法向压力(kN)；As为轴肩与工件接触面积(m2)；rsh为轴肩半径(m)；Tmelt为材料熔点(℃)。

瞬态焦耳热计算公式[7-9]：
大接触法向压力下接触阻抗公式[10]：
工件与搅拌头自身电阻[6]：
R=R0(1+α(T-T0))
式中：U为电压(V)；Je为电流密度(A/m2)；R0为参考电阻(Ω)；T0为参考温度(℃)；σAl为工件电导率(s/m)；σH13为搅拌头电导率(s/m)；HH13为淬火后搅
拌头洛氏硬度(N/m2)。

2.1 有限元分析模型
工件试样采用铝，尺寸为400 mm×100 mm×12 mm，搅拌轴肩与搅拌头(圆锥)试样采用H13(4Cr5MoSiV1)，尺寸分别为φ46 mm×40 mm与φ12 mm×12 mm×14°(半角)。

在利用载流搅拌摩擦焊接过程中两块铝板是对称焊接在一起的，并且焊线是对称线，所以只需取一块铝板和一半的搅拌头进行建模，其有限元网格采用自由剖分四面体网格划分如图2所示。

2.2 材料属性
工件材料为铝，搅拌头材料为H13(4Cr5MoSiV1)，二者之间的摩擦因数设定为0.17[11]。

表1列出了两种材料的性能[11]。

2.3 实验参数
法向压力Fn为15、25 kN，转速ω为1 200 r/min，电流密度J为3×106
A/m2，焊接进给速度vveld为2 mm/s，位移S为30 mm，故搅拌头相对于工
件进给时间为15 s。

2.4 边界条件
初始条件时，工件具有均匀的初始温度，一般取环境温度为20 ℃。

焊接过程中，由于工件边界和周围环境存在着强烈的温差，以对流与辐射的方式与周围介质进行热交换，所以工件表面(下表面除外)的热量损失表示[7-9]为
下表面的热量损失表示[7-9] 为
式中：q为热量(J)；hup为工件上表面热传递参数(W/(m2·K))；hdown为工件下表面热传递参数(W/(m2·K)；T为模型温度(℃)；T0为室温(℃)；ε为工件表面发射率；σ为史蒂芬—波尔兹曼常数。

计算时，由于电阻率是随着温度的变化而变化的(由公式(6)可知)。

几何建模时采用一半建模，故对称边界为该仿真的热绝缘条件。

当法向压力、转速一定时，将焊接移动速度设定为0时，将可以得出工件达到熔化温度的时间。

当法向压力为25 kN，转速为1 200 r/min，焊接进给速度为0，工件需要9 s才能达到工件熔化温度660 ℃。

由于位移设定为30 mm，进给速度设定为2 mm/s，故搅拌头相对工件移动15 s。

当工件温度达到熔化温度后，此时工件处于熔化状态(固液态共存)，搅拌头将沿着焊缝做进给运动，并完成整个搅拌焊接过程，整个过程所需时间为24 s。

焊接结束时(24 s)的温度场分布云图、等值面图及整个焊接过程中对称点9与19的最高温度曲线如图3所示。

从图3(c)可看出，0～9 s范围内对称点9与19最高温度曲线完全重合，可知在工件温度由室温达到熔化温度(660 ℃)过程中，由摩擦热产生的温度场关于搅拌头中心线完全对称分布，原因在于此过程中搅拌头进给速度为0。

从图3(a)、(b)可以看出：高温主要集中于搅拌头与工件接触区域；工件上的温度呈现出由搅拌头与工件的接触区域向四周逐渐减小态势；搅拌头轴肩上温度呈现出由接触区域向远离接触区域方向逐渐减小的态势。

搅拌焊接区域前侧温度场分布面积大于后侧，但前侧等值面之间的法向距离与后侧相比较大，相应温度梯度较小。

原因在于焊接热源主要来源于搅拌头与工件相对旋转、移动摩擦，所以接触区域温度远高于其他区域。

当法向压力为15 kN、转速为1 200 r/min、焊接进给速度为2 mm/s，进给位移为30 mm，搅拌头相对工件进给运动所需时间同样为15 s，并在搅拌头上引入大小为3×106 A/m2的电流密度。

引入电流密度后，工件由室温达到熔化温度所需时间为10 s，故整个焊接过程所需时间为25 s。

焊接完成时(25 s)的温度场分布图、温度场等值面图及电流密度分布图如图4所示。

从图4可知：工件上的最高温度主要分布于搅拌头与工件接触区域；焊接前侧的
温度分布面积比后侧大，但前侧的温度等值面分布较为稀疏，后侧等值面分布相对前侧密集，故焊接后侧温度梯度大于前侧；轴肩上的温度是由高温所在的接触区域向背离接触区域方向逐级递减分布；载流后的搅拌轴肩上的温度分布面积大于无载流，这是由于搅拌头自身具有电阻，当有电流通过时，有一定的焦耳热产生。

最高温度主要集中于搅拌头与工件接触区域，原因是此区域内运动相对复杂，首先有搅拌头自身转动，再者搅拌头相对于工件做进给运动，二者将产生大量的摩擦热，并且从图4(c)可知在接触区域内的电流密度分布相对于其他区域更为密集，由公式(4)、(5)、(6)可以得知该处产生的焦耳热也较大，综合可知焦耳热耦合摩擦热所产生的最高温度则主要集中于搅拌头与工件接触区域。

由图5可知，工件在达到熔化温度之前，无论载流与否，最高温度均随着时间的
增加而相应增大；同等法向压力(15 kN)、相同时间(0～10 s)范围内载流最高温度增长趋势远大于无载流，因为引入电流所产生的焦耳热与摩擦热耦合作用使最高温度得到进一步提升。

15 kN载流的最高温度变化趋势与25 kN无载流的最高温度
变化趋势基本一致，且最高温度相差无几，由此可以推知电流的引入将较大地降低对法向压力的需求，在很大程度上降低了焊接对机床主轴的要求。

(1)计算瞬态热时，任何情况下工件温度由室温达到熔化温度都需要一定时间，且
在此时间内工件与搅拌头温度场关于搅拌头中心线呈现出对称分布态势。

(2)无论载流与否，模型最高温度主要集中于搅拌头与工件接触区域，并由接触区
域向背离其方向逐级递减，搅拌区域前侧温度分布面积大于后侧，但温度梯度均小于后侧。

载流后的搅拌轴肩温度分布面积大于无载流。

(3)同样法向压力、转速、焊接速度、位移条件下，载流时的耦合最高温度远高于
无载流，由此可推知同等条件下载流对法向压力的需求远低于无载流。

法向压力的减小降低了对焊接机床的主轴刚度要求，同时也提高了焊接的质量和效率，降低了能耗，节约成本。

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