15-基于数值模拟的搅拌摩擦焊接缺陷预测

基于数值模拟的搅拌摩擦焊接缺陷预测朱智 王敏 张会杰 张骁 于涛 杨广新(中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016)摘要：基于耦合的欧拉-拉格朗日方法，建立一个新的搅拌摩擦焊接过程热力耦合有限元模型，模型中，将工件设为欧拉体，而焊具则设为拉格朗日体，利用有限元软件ABAQUS模拟6061-T6铝合金的搅拌摩擦焊过程，预测焊接过程中产生的飞边和孔洞焊接缺陷，并通过开展搅拌摩擦焊工艺试验，从温度场、焊缝宏观形貌和焊缝区塑性变形几方面对模拟结果进行验证。

对比结果显示，不论是温度场还是焊缝成形，模拟结果均与试验结果吻合较好。

此外，还研究了摩擦系数对焊接缺陷尺寸的影响，结果表明，随着摩擦系数增大，焊缝飞边增大，而孔洞尺寸减小。

关键词：搅拌摩擦焊6061-T6铝合金焊接缺陷预测数值模拟0前言搅拌摩擦焊（FSW）是1991年由英国焊接研究所发明的一种新型固态连接技术[1]，与传统焊接工艺相比，搅拌摩擦焊的变形及残余应力小，接头强度高，综合力学性能优异，非常适合低熔点轻金属的优质焊接，现已成功用于航空、航天、船舶及轨道列车等工业领域。

焊具转速、焊速、轴肩压深、焊具倾角及其结构形式等是影响FSW的重要因素，如焊接参数选择不当，将直接影响焊接产热及焊缝区材料的塑性流动，极易形成飞边、孔洞、沟槽等缺陷，导致焊接接头质量降低。

目前，对FSW缺陷的研究主要集中在缺陷的检测、评价和补焊等方面[2-4]，而对缺陷形成机理和控制方法的研究则相对较少，特别是对FSW机理的研究还不透彻，还未能建立焊接工艺参数与焊接缺陷间的定量关系，以及完善的FSW缺陷预测和控制方法。

目前，对FSW缺陷形成机理的研究主要集中在理论分析和试验研究方面，在实际焊接中，主要是依靠经验，采用试错方法，以找到合适的焊接工艺，这样不仅耗时耗力，而且无法实现对焊接缺陷的有效预测和控制。

数值模拟是一种研究FSW的有效方法，建立合适的FSW计算模型，不仅可以预测焊接过程产热，而且能够研究焊缝附近材料的塑性流动行为，以分析焊接机理。

FSW是一种高温高应变速率问题，目前，研究FSW过程中材料流动行为的方法主要有固体力学中的任意拉格朗日欧拉（ALE）方法[5-7]和计算流体动力学（CFD）方法[8-10]。

ALE方法在模拟FSW过程时，不仅可以定义焊具与材料间的滑移摩擦相互作用，而且能够同时考虑材料的软化和硬化行为，然而，这种方法采用的是拉格朗日单元，其内部必须时刻充满物质，那么在处理FSW这种超大变形问题时，会出现严重的网格畸变。

虽然CFD方法采用欧拉网格，网格与物质相互独立，不存在网格扭曲问题，然而这种方法在捕捉物体边界信息上较为困难，不能够精确描述物质的边界，而且采用CFD方法处理FSW问题时，无法考虑材料的硬化行为和弹性属性，只能将其简化为刚粘塑性材料来处理。

此外，在处理焊具与焊接材料间的相互作用时，CFD方法通常将两者间的接触行为假设成完全粘着状态，这导致焊接温度场和焊接载荷的模拟误差较大。

综上，以上两种方法均不适合模拟FSW缺陷的形成。

耦合的欧拉-拉格朗日（CEL）方法最早是由Noh W F[11]提出，该方法充分吸取了拉格朗日网格和欧拉网格的优点，采用网格固定而材料可在网格中自由流动的方式，不仅解决了大变形问题中单元变形奇异的弊端，而且能够精确描述物质的边界。

本研究正是基于上述耦合的欧拉-拉格朗日方法，利用有限元软件ABAQUS建立FSW过程的热力耦合有限元模型，预测焊接过程中的温度分布及焊接缺陷的形成，并研究摩擦系数对焊接缺陷的影响规律。

1 搅拌摩擦焊有限元模型1.1 产热模型对FSW模拟而言，温度场的模拟是基础，只有建立能够真实反映FSW产热机理的热源模型，才能准确计算焊接过程工件内部的温度场，进而预测焊缝材料的塑性流动行为、以及焊接缺陷的形成。

FSW过程中，热量主要来自焊具与工件材料间的摩擦产热和塑性变形产热。

焊具与工件发生作用的部分是轴肩和搅拌针，本研究采用的焊具为平端面光面轴肩和锥形螺纹搅拌针，为了便于建模，本研究忽略搅拌针的螺纹，将其简化为锥状光面搅拌针，同时对轴肩端面的边缘、搅拌针的根部及顶端倒圆角，如图1所示。

1图1 搅拌头几何形状与尺寸（mm）焊具与工件接触界面摩擦产生的热通量密度为[12]：= ̇(1)式中， 为热效率，取0.95； ̇为滑移率， ̇=Δ /Δ , Δ 为界面相对滑动，Δ 为时间增量； 为摩擦剪切应力，根据经典的Coulomb摩擦定律， 可表示为：= (2)式中， 为摩擦系数； 为作用在接触面的法向压强，在计算中依赖于所求的结果。

塑性变形产热是指工件与焊具接触面附近剪切层内部的材料发生塑性变形所释放的热量，该部分热量可由下式计算[13]：= ̇ (3)式中， 为体热流密度； 为功热转化效率，本研究取0.95； 为应力； ̇ 为塑性应变速率。

1.2 材料模型本研究中，工件材料为6061-T6铝合金，焊具材料为W6合金，由于焊具材料的硬度和强度远高于工件材料，模拟中，将焊具设为刚体，并忽略工件与焊具间的接触换热。

本研究采用Johnson-Cook模型描述焊接材料流动应力与温度、应变、应变速率间的关系：= + ̅ 1+1−(4)式中， ̅ 表示等效塑性应变； ̅ 表示等效塑性应变速率； 、 、 、 和 为材料常数，其中， 表示应变硬化效应， 表示高温软化效应， 表示应变速率敏感程度，常数 、 和 是在温度 下通过试验获得的； 为材料熔点。

对于6061-T6铝合金，Johnson-Cook本构模型中的材料常数为[14,15]： =324MPa， =114MPa， =0.002， =0.42， =1.34， =24℃， =583℃。

此外，FSW模拟中用到的其它热力学材料属性均与温度相关[14,16]。

1.3 几何模型与有限元网格本研究在建立模型时，采用耦合的欧拉-拉格朗日方法，将工件设为欧拉体，而将焊具设为拉格朗日体。

工件为150 mm×100 mm×5 mm的6061-T6铝合金板，如图2a所示，将焊具轴线与工件上表面交点设置为坐标原点，焊具轴线与Z轴重合，焊接方向沿X轴正方向。

根据工件与焊具的结构特征，采用八节点六面体单元对工件实体进行网格剖分，并采用四边形单元对焊具表面进行网格剖分。

在保证模拟精度的前提下，为了提高计算效率，对焊缝附近加密网格，而其他区域则保持稀疏网格，如图2b所示。

图2 FSW（a）几何模型与（b）有限元网格1.4 边界条件FSW过程中，工件上表面及侧面通过对流和辐射将热量散失到空气中，需要在相应位置施加对流换热和辐射换热边界条件。

对于对流换热，其热流密度可表示成如下形式：=ℎ ( − )(5)式中， 为热流密度，ℎ 为对流换热系数， 和 分别为环境温度和物体表面温度。

对于辐射换热，其热流密度可表示成如下形式： = ( − )(6)式中， 为斯蒂夫-玻尔兹曼常数， 为黑度系数。

由于辐射换热问题较为复杂，为了方便建模，将辐射换热等效成对流换热处理，根据式（5）和（6），对流和辐射总的热流密度为：=ℎ ( − )(7) ℎ =ℎ + ( − )( + )(8)式中，ℎ 为总的对流换热系数，本研究中，其值取常数100W/m2℃。

FSW过程中，工件底面与垫板发生接触换热，对工件内部的温度分布影响较大。

研究表明，接触换热系数不仅与材料的固有属性相关，而且与接触面的温度、压力及接触状态等息息相关，目前还没有完善的理论描述固体间的接触换热行为。

本研究中，接触换热系数取常数1000W/m2℃。

此外，为防止发生刚体位移，约束工件底面和侧面的所有自由度，上表面自由。

2 有限元模拟结果及验证为验证模拟结果的准确性，本研究在完全相同的工艺条件下开展FSW试验，试验环境采用自主研发的FSW试验平台，焊接工艺如下：焊具转速600rpm，焊具扎入速度0.05mm/s，轴肩压深0.2mm，焊具停留时间3s，焊接速度120mm/min。

2.1 温度场图3所示为搅拌摩擦焊接过程中工件上表面的温度分布。

可以看到，在FSW的各个阶段，温度场整体上沿焊缝中心呈对称分布，但在稳态焊接阶段，焊缝附近的局部范围内，特别是在轴肩正下方，温度场并不完全对称，主要表现为焊具返回侧温度高于前进侧，焊具后方温度高于前方温度，且等温线分布较稀疏，而焊具前方等温线分布较为密集，如图3c所示，这与典型的FSW温度分布特征相一致。

此外，在稳态焊接阶段，最高温度出现在轴肩附近焊缝返回侧搅拌头的后方，其值约为525℃，略低于6061-T6铝合金的熔点（583℃），达到熔点的90%，材料仍为固相，说明FSW为固相连接，不会出现熔焊缺陷，体现其先进性。

图3 FSW过程中工件温度分布（a）下扎；（b）停留；（c）稳态焊接为了验证模拟结果的准确性，将各测温点温度峰值的模拟结果与实测数据进行对比，如图4所示。

可以看到，虽然各测温点温度峰值的模拟结果与实测数据间均有一定误差，其中返回侧距离焊缝较远的测温点误差相对较大，但从总体上看，两者吻合较好，最大误差仅为23.4℃，这说明了本研究建立的产热模型能够较为真实地反应FSW的产热机理，对温度场的模拟是准确的。

图4 FSW过程中各测温点温度峰值模拟结果与实测数据对比2.2 焊缝表面形貌图5所示为焊缝区表面形貌的模拟结果与试验结果对比。

可以看到，两者吻合较好，在焊缝区的边缘均形成了明显的飞边，且返回侧的飞边明显大于前进侧，这符合典型的FSW焊缝特征。

图5 FSW焊缝表面形貌：（a）试验结果；（b）模拟结果2.3 焊缝区塑性变形为进一步验证模拟结果，将焊缝区等效塑性应变模拟结果与试验获得的焊缝区微观组织对比，如图6所示。

可以看到，本研究建立的模型能够较为准确地预测塑性应变区的形状。

此外，模拟结果显示，焊缝区出现了孔洞，而真实焊缝却并没有发现孔洞。

这主要是由于本研究在建模时忽略了搅拌针的螺纹，而将其简化为锥状光面搅拌针，焊接时，与螺纹搅拌针相比，光面搅拌针无法对焊缝材料进行充分搅拌，材料流动性差，无法填满因搅拌针移动而留下的空腔，从而形成了孔洞。

图6 FSW焊缝区（a）微观组织与（b）塑性应变模拟结果 3 摩擦系数的影响图7所示为摩擦系数对FSW缺陷形成的影响。

模拟中，焊具转速为600rpm，焊接速度为120mm/min，摩擦系数分别取0.35，0.58和1.2。

模拟结果显示，在上述三种摩擦系数条件下，焊缝区域均产生了焊接缺陷。

当摩擦系数为0.35时，焊缝表面不仅产生了飞边，而且焊缝内部区域还产生了较大的沟槽；当摩擦系数为0.8和1.2时，焊缝表面的飞边有所增大，虽然沟槽消失，但焊缝内部仍有孔洞，且摩擦系数为1.2时的孔洞尺寸比0.8时更小。

这是因为当摩擦系数增大时，焊具与工件材料间的摩擦力增大，产热量升高，材料进一步软化，流动性更好，有利于填充搅拌针移动过程中留下的空腔，因此，随着摩擦系数增大，孔洞尺寸减小。