2219铝合金厚板搅拌摩擦焊接温度场数值模拟_徐韦锋

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.:;<=>&l铝合金厚板搅拌摩擦焊接温度场数值模拟
% % % % % % % 徐韦锋， % 刘金合， % 朱宏强
第 #$ 卷
同， 比实测升温时间 %& ’ 缩短了 $# （ ’ 图 !( ） ， 模拟 曲线升温速率明显的较快) 离焊缝中心距离 ! * $& ++， " * $, ++ 的特征点数值模拟最高温度为 #!%) ! -， 升温时间为 ,! ’， 而实际检测中最高温度只有 #,#) , - ， 升温时间 .$ ’， 此时的温差相对较大) 这 是因为在实际温度检测中， 使用的热电偶本身固有 的动态相应误差， 对温度信号响应有一定的延迟现 象， 而在温度数值模拟过程中认为没有延迟， 结果导 致温度曲线的斜率有差别) 焊缝中 ! * $& ++ 的特 征点位于搅拌头轴肩 （ 半径 $% ++ ） 外， 热输入主要 为搅拌头产生的摩擦热传导， 模拟过程中一些条件 理想化的假定 （ 例如不考虑热辐射、 热损失考虑得 较少等） ， 使得热传导效率较高， 因此特征点温度较 高) 总体来说温度数值模拟结果与实际检测结果基 本符合， 使用的有限元数学模型模拟厚板铝合金 /01 温度场是正确的， 模拟计算过程是可行的)
轴肩的热输入功率为 ’ OS7=8Q:< T !! OS7=8Q:< T # !!"$ ! （ #" A #! #） !
式中： ! 为角速度， ! T # !(9 搅拌针旋转产生的扭矩为
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% % % % % % % % % % % （ 西北工业大学 材料学院，西安% C"$$C# ） 摘% 要：通过已建立的数学模型利用 ()*D* 软件， 对 "E FF 厚 ##"@ 铝合金搅拌摩擦 焊接过程 （ 搅拌头插入阶段和焊接稳定阶段） 中的温度场进行数值模拟， 并与在焊缝相 应位置埋入热电偶检测结果进行对比分析9 试验发现， 搅拌头插入阶段焊缝的温度变 化与焊接速度无关， 开始阶段升温速率最大； 焊接稳定阶段， 沿板厚度方向呈现上宽下 窄、 上高下低的温度梯度分布趋势9 两个阶段都是旋转频率越高， 焊缝的峰值温度越 高9 结果表明， 温度场模拟与试验检测结果基本吻合， 数学模型正确9 关键词：搅拌摩擦焊接； ##"@ 铝合金；温度场模拟 中图分类号：&4EG!% % 文献标识码：(% % 文章编号： $#G! A !H$I （#$"$） $# A $$H! A $G
密接触工件表面之间摩擦的热输入， 即
收稿日期： #$$@ A $B A "$ 基金项目：中国机械工程学会焊接学会创新思路预研奖学金资助 项目
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焊# 接# 学# 报 系， 如表 % 所示&
第 $% 卷
或多个合适的单元类型& 对 ’() 温度场分布的模 拟， 选择可用于三维稳态或瞬态热分析的 * 节点 ! 面 体， 且具有三维热传导能力的 (+,-./0 单元& 图 % 为模拟过程中所用模型的有限元划分网 采用非均匀网 格& 在对三维实体模型划分网格时， 格& 在焊缝及其附近区域采用加密的网格， 这样既 考虑了焊缝处温度变化较大等因素， 保持精度的同 时又能减少计算量， 提高效率&
表 !" 不同温度时铝合金与搅拌头之间的摩擦系数 84<*) !" #2$3($1’ 31)00$3$)’( 4( /$00)2)’( ()+:)24(.2)
温度 ! 3 4 摩擦系数 15 0& !% %00 0& 5% 100 0& 1% $00 0& 0/ "00 0& "/ 500 0
56 =" 边界条件 初始条件主要是焊接之前的温度， 假定工件及 其周围环境的温度 !0 6 10 4 ， 焊接过程中产生的搅 拌摩擦热量， 使工件与周围环境之间有了温度差， 发 生热传导& 忽略焊接过程中的热辐射， 这样在温度 场的模拟分析中要考虑的边界条件为热传导和热对 流& 取空气的热传导为 $0 ， 垫板 （ 钢） 的热传导为 %00& 焊接时工件的六个面均与外界物质接触， 上表
［ G］ 属之间的摩擦热输入包括 ： 搅拌头的轴肩与其紧
#% 模拟过程
!$ "% 几何条件 模拟中采用的铝板尺寸为 #$$ FF V B$ FF V "E FF， 接头形式为对接9 搅拌头形状简化为圆柱轴 肩和表面光滑 （ 不带螺纹） 的圆锥体搅拌针， 轴肩半 搅拌针根部半径为 H FF， 端部半径为 径为 "E FF， !9 B FF， 搅拌针长度为 "!9 H FF9 !$ !% 单元和网格 对任何类型的有限元分析， 单元类型决定附加的 自由度 （位移、 温度等） ， 须在单元类型库中选择一个
［ "， #］ 维稳态温度场进行研究 ， 国内进行了 ! FF 厚 ［ !］ ， 对焊接稳 2D"# 完整准确的三维瞬态温度场模拟 ［ E］ 定阶段摩擦产热与散热机制的数值模拟分析 等9
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$’’ ( ) *+,， 焊接速度 #’ ** ) *+, 时， 焊接稳定阶段 -’ . 时焊缝横截面温度分布云图和不同位置特征点 温度曲线 （ ! 为离焊缝中心的距离； ! / ’ ** 表示焊 缝横截面中心； " 为焊缝下表面上的距离） 0 焊缝上 当 ! / ’ 时， 沿板厚度 表面的最高温度为 %120 1 3 ， 方向 " / ! ** 最 高 温 度 为 1$#0 # 3 ， " / $ ** 为 1420 # 3 ， " / # ** 为 1-20 1 3 ， " / "! ** 时 为 1#"5 % 3 0 离焊缝中心距离越远， 温度越低0 离焊缝 中心距离相同的特征点温度沿厚度方向的温度从下 表面向上逐渐升高， 形成了上宽下窄和上高下低的 温度梯度分布0 这主要是由于搅拌头在板厚度方向 的热输入不均匀造成的， 与直径较大且产热较多的 轴肩相接触的材料吸收了大部分搅拌头摩擦产生的 热量， 同时通过热传递和热传导向周围进行热传递， 而与直径较小且产热少的搅拌针接触的材料得到摩 擦热量相对较少0 再加上焊缝底面与充当 “ 冷却池” 的钢制垫板进行热传导散热， 因此焊缝横截面沿板 厚度方向形成了上宽下窄和上高下低的温度分布0 远离焊缝中心得到搅拌头的直接搅拌摩擦作用较 图 % 为搅拌头的轴向压力 !! ’’’ 6， 旋转频率 %%’ ( ) *+,， 焊接速度 #’ ** ) *+, 时， 焊接稳定阶段 -’ . 时焊缝横截面温度分布云图和各特征点温度分 布曲线0 焊缝的最高温度为 2#"0 4 3 ， 曲线的分布 趋势和实际检测结果基本相同0 与图 2 相比较可 知， 旋转频率越高， 焊缝的特征点温度越高0 因为在 搅拌头轴向压力和焊接速度相同的条件下， 旋转频 率越高， 搅拌头形成的搅拌摩擦热量越多， 焊缝的热 输入越高， 材料经受较高的热循环， 峰值温度升高0 图 $ 为 789 稳定阶段特征点温度模拟结果与 试验检测结果的对比分析曲线0 搅拌针外侧特征点 ! / $ ** 和 " / "! ** 时的最高温度达到了 2’#0 ! 3， 升温时间 !% .， 与实测最高温度 2’"0 ! 3 基本相
# # % （ ! ## ! * ! # ! ) M>N " * ) M>N " ）
圆锥体搅拌针侧面的热输入功率为 ’ UKNOKQ: T !! UKNOKQ: T # !"$! ! （ ## A #! !） !OKN"
到目前为止， 对厚板铝合金温度场的模拟研究鲜有 报道， 因此文中对 "E FF 厚 ##"@ 铝合金 .*1 过程 中的温度场进行数值模拟， 并与试验检测结果进行 对比分析， 验证模拟结果的准确性9
$# 模拟结果与分析
76 !" 搅拌头插入阶段模拟结果与分析 搅拌头插入阶段搅拌头轴向压力 10 000 7 时， 旋 转 频 率 !00 8 3 9:;，不 同 焊 接 速 度（ !0 ，*0 99 3 9:;） 和时刻条件下， 焊缝上表面温度分布云图 见图 $& 搅拌头完全插入的时间定为 15 <， 搅拌头插 入 % < 时， 焊缝的最高温度为 105& * 4 ； $ < 时， 最高 温度为 1*%& * 4 ； 5 < 时， 最高温度为 $15& $ 4 ； %0 < 时， 最高温度为 $2"& 2 4 ， %5 < 时， 最高温度为 ""0 4， 10 < 时， 最高温度为 "/$& 5 4 ， 15 < 时， 最高温度 为 500 4 & 由图 $ 可以看出不同焊接速度条件下， 焊缝温度分布云图相同& 因为在搅拌头插入阶段， 搅拌头沿 " 轴方向的运动为静止状态， 焊缝温度最 高值的变化与焊接速度没有关系， 这与前面的温度 检测结果相吻合& 还可以得出两个不同相邻时刻之 间温度 上 升 速 率 分 别 为 $* ， 1%& 2 ， %$& 2 ， 2， !& / 和 5= $5 4 3 <， 刚开始阶段焊缝的升温速率最快， 随后 慢慢减小， 搅拌头完全插入时最小& 这是因为焊接 刚开始阶段， 整个待焊板的温度均为环境温度 （ 10 4） ， 根据温度越低， 材料的摩擦系数越大， 此时搅 拌头与焊缝金属之间的摩擦系数最大， 生成的搅拌 摩擦热量较多& 随着搅拌头的插入， 不断向周围进 行热传递， 焊件的温度升高和软化， 摩擦系数减小， 单位时间生成的摩擦热量减少， 升温速率减慢& 76 5" 焊接稳定阶段模拟结果与分析 图" 为搅拌头的轴向压力 11 000 7 ， 旋转频率