攪拌摩擦焊鎂合金隔聲性能的研究

劉成武，錢林方

（1.福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350118；2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

攪拌摩擦焊鎂合金隔聲性能的研究

劉成武1，錢林方2

（1.福建工程學院機械與汽車工程學院，福州 350118；2.南京理工大學機械工程學院，南京 210094）

伴隨攪拌摩擦焊在鎂合金上的廣泛應用，對其隔聲特性研究尤為重要，基于自適應網格技術，對攪拌摩擦焊過程進行數(shù)值模擬，為后續(xù)聲學計算提供約束模態(tài)，解決了材料屬性難以確定的問題，一定程度上實現(xiàn)了焊接與聲學的結合。自行設計和制造了混響箱，用以測量焊接鎂合金板的隔聲量，彌補了混響室測試小試件的不足。進而使用finite element-statistical energy analysis（FE-SEA）混合法計算焊接件的隔聲量，與試驗結果進行對比，吻合良好，表明此方法行之有效。通過對比焊接前后鎂合金板件的隔聲量，發(fā)現(xiàn)在吻合低谷區(qū)，焊接后板件的隔聲有所降低。為了研究焊接參數(shù)對隔聲的影響，分別改變焊接速度和攪拌頭旋轉速度，觀察隔聲量的變化，結果表明，這些參數(shù)都需要合理的設置，并非越大或者越小越好。

攪拌摩擦焊；混響箱；FE-SEA混合法；焊接速度；攪拌頭旋轉速度

1 前言

攪拌摩擦焊（FSW）是1991年由英國焊接研究所推出的一種新型固相連接技術，主要應用于鋁、鎂等輕質合金的焊接。與傳統(tǒng)的熔化焊相比，避免了諸如凝固裂紋、氣孔和氧化等缺陷，可以獲得較高質量的焊縫[1]，現(xiàn)已成功應用于航天、汽車等工業(yè)領域。目前國內外對攪拌摩擦焊的研究主要集中在材料的流動、接頭的微觀組織等方面[2，3]，而且數(shù)值模擬計算過程中并沒有過多地考慮焊接導致的塑性變形，結果存在一定的異議。伴隨噪聲要求的提高和鎂合金的廣泛應用，研究攪拌摩擦焊對構件隔聲產生何種影響十分必要，但是這一領域尚屬空白。

本文擬用自適應網格技術，使材料點和網格可以分開，不僅考慮塑性變形，而且準確地模擬了鎂合金攪拌摩擦焊。清楚了解焊接所導致的變化，將這一模擬結果導入到專業(yè)的聲學軟件中，使用finite element-statistical energy analysis（FE-SEA）混合法[4，5]計算焊接件在中頻段的隔聲，與試驗結果進行對比，驗證此種方法的有效性。對比焊接前后、不同焊接速度和攪拌頭旋轉速度下的隔聲量，得出一定的結論，為焊接和聲學的交叉應用提供一定的指導意義。

2 基礎理論

在FE子系統(tǒng)與SEA子系統(tǒng)耦合時，整體平均響應由式（1）表示

式（1）中，Sqq為FE子系統(tǒng)中的節(jié)點位移響應；為外界直接施加在FE子系統(tǒng)上的作用力；S為第m個SEA子系統(tǒng)的混響場作用在FE子系統(tǒng)耦合節(jié)點處的作用力；Ddir為包含了FE子系統(tǒng)和SEA子系統(tǒng)“直達場”的整體剛度矩陣。此整體剛度矩陣闡明了FE子系統(tǒng)向SEA子系統(tǒng)輻射能量的機理，而作用在耦合節(jié)點處的載荷闡明了SEA子系統(tǒng)對FE子系統(tǒng)的激勵作用。此二者的關系由“直達場互惠定理”[6]描述

式（2）中，ω為圓頻率；Em為第m個子系統(tǒng)的能量；nm為第m個子系統(tǒng)的模態(tài)密度；Im{D}為第m個子系統(tǒng)對整體剛度矩陣的阻抗貢獻量，這個剛度矩陣具有統(tǒng)計學意義。

而式（2）中的Em為第m個子系統(tǒng)的振動能量。能量平衡方程為

3 攪拌摩擦焊模擬

根據(jù)攪拌頭工具實際尺寸和形狀建立有限元模型，并在計算過程中將該模型設定為剛體。平板的數(shù)值模型尺寸為670 mm×460 mm×4 mm。

平板的材料為AZ31B鎂合金，彈性模量為4.5×1010Pa，密度為1 750 kg/m3，泊松比為0.33。共劃分為15 034個六面體單元。

為了避免攪拌頭運動產生網格畸變和準確模擬焊接過程中的塑性變形，采用ABAQUS自適應網格技術。將攪拌頭的平移等效為材料以同一速度（30 mm/min）從一側施加到另一側，平板的兩側作為材料的流入和流出面，定義為Eulerian面，從而使材料點與網格分開，平板的上下表面定義為滑移面，材料點只能在網格平面內運動，攪拌頭以800 r/min的速度旋轉，從而有效地模擬材料與攪拌工具間的相互作用。焊接過程有限元模型示意圖如圖1所示。

4 焊接鎂合金隔聲試驗和仿真

隔聲量的傳統(tǒng)測試裝置混響室在聲學測試中已被廣泛應用。Mu等利用混響室研究了多層微穿孔板結構的隔聲特性[7]。Mao等通過混響室和半消聲室相結合，研究了雙層板結構的隔聲特性[8]。但是圖示鎂合金板件由于尺寸過小，無法方便快捷地固定在混響室的窗口，為此設計和制造了混響箱，可等效成一個小的混響室，針對小試件的測試有很好的效果。

圖1 攪拌摩擦焊有限元模型示意圖Fig.1 Finite element model schematic of FSW

4.1 混響箱設計及隔聲試驗

混響箱可用于在有限的空間里產生自由散射聲場，使聲場中測得的點聲壓均布。本文中的混響箱是按照GBJ 47—3《聲學——混響室法吸聲系數(shù)測量規(guī)范》自行設計加工的，采用雙層鋼板結構，中間填充玻璃棉和空氣，箱壁剖面結構如圖2所示。

圖2 箱壁結構示意圖Fig.2 Box wall structure schematic

對于體積小于200 m3的混響室，混響聲場下限頻率f與體積V具有式（4）所示的關系[9]，混響箱三邊尺寸具有式（5）所示的關系[10]

此外，混響箱內的最大線度lmax和體積V有如下關系[10]

結合式（4）～式（6），確定混響箱的外部尺寸為1.36 m×1.57 m×1.07 m。并由公式計算得混響箱測量的下限頻率為670 Hz。

設計制造后進行試驗驗證，混響箱總隔聲量高于40 dB。對設計制造的混響箱從混響時間和聲場均勻度兩方面驗證是否達到了試驗的要求。

混響時間為聲場穩(wěn)定后中斷聲源，聲壓級從穩(wěn)定狀態(tài)下降到60 dB所需要的時間。為了測得混響箱的混響時間，對下列頻率序列進行了測試：125 Hz、250 Hz、500 Hz、1 000 Hz、2 000 Hz、4 000 Hz和8 000 Hz。

由表1也可以看出，混響箱在各頻率下均有較長的混響時間，達到了試驗測試的要求。

表1 混響箱的混響時間Table 1 Reverberation time of reverberation chamber

為了驗證混響箱內聲場分布的均勻度，對比了混響箱內三個傳聲器測得的聲壓結果。同時，為了保證結果的可靠性，改變傳聲器的位置測量兩次（工況1和工況2）來避免偶然性。圖3給出了混響箱內聲壓級的分布。從圖3中也可以看到，同一工況下，3個傳聲器測得的聲壓級最大差值不超過3 dB；而不同工況下，聲壓級相差最大也只有4 dB，發(fā)生在630 Hz下，而這個頻率低于混響箱的下限頻率。在670 Hz以后，不同工況下聲壓級值的差別也是很小的；而且在下限頻率（670 Hz）以上的頻段內聲壓級均超過了90 dB，即產生了1 Pa的白噪聲。因此，混響箱內聲場分布是均勻的，適合作為產生混響激勵的裝置。

將設計加工的混響箱置于半消聲室內，固定攪拌摩擦焊板件于混響箱的窗口，測量其隔聲量，結果如圖4所示。

圖3 3個測點聲壓三分之一倍頻程Fig.3 Sound pressure of three measurement points under one-third octave

圖4 隔聲量的試驗與仿真對比Fig.4 Transmission loss comparison between experiment and simulation

4.2 仿真分析

在混響箱的下限頻率670 Hz以下的頻段內，試驗結果不可靠加之低頻范圍內邊界條件影響比較大，仿真與試驗吻合程度會大大降低，因此嘗試使用FE-SEA混合法計算中頻范圍的隔聲量。由于焊接會改變材料屬性及結構，直接使用網格模型無法定義這些參數(shù)，必須將圖1中計算的約束模態(tài)導入進去，作為一個中間結果，這樣才可以準確計算攪拌摩擦焊鎂合金板的隔聲量。FE-SEA混合模型如圖5所示。

將仿真在100～4 000 Hz的隔聲量與試驗結果進行對比，如圖4所示。從圖4可看出，在670 Hz的下限頻率范圍內，由于試驗結果及邊界條件的影響，仿真與試驗相差比較大，用仿真來預測實際隔聲量，準確度比較低；超過670 Hz，仿真與試驗結果吻合良好，最大差值不過3 dB，在工程誤差許可的5 dB范圍內。

圖5FE-SEA混合模型Fig.5 FE-SEA hybrid model

5 攪拌摩擦焊鎂合金板隔聲特性

5.1 焊接前后隔聲量的對比

為了研究攪拌摩擦焊對鎂合金板隔聲特性的影響，分析和對比了焊接前后鎂合金板的隔聲量，為避免結果存在偶然性，計算2 mm和4 mm厚的鎂合金板焊接前后的隔聲，結果如圖6所示。

圖6 焊接前后隔聲量的對比Fig.6 TL comparisons between welded and un-welded one

在混響箱下限頻率670 Hz以下的范圍內，仿真并不能準確地預測實際隔聲量，因此不作分析。670～1 600 Hz內，隔聲量處于質量控制的區(qū)域，隨著面密度的增加而增大，因此4 mm的鎂合金板隔聲量要大于2 mm的；超過1 600 Hz，4 mm鎂合金板進入吻合效應的低谷區(qū)域，而2 mm的依然處于質量控制區(qū)域，隔聲量隨著頻率的增加呈現(xiàn)出上升趨勢，因此會出現(xiàn)2 mm的隔聲量反而大于4 mm的情形。兩種厚度的鎂合金板在質量控制區(qū)的頻帶內，由于焊接對面密度影響較小，而且成形質量非常好，隔聲基本一致，吻合低谷范圍內，隔聲由阻尼控制，眾多學者在對AZ31B鎂合金性能進行研究時，發(fā)現(xiàn)劇烈變形對該合金微觀組織和力學性能都有較大的影響，會導致合金室溫阻尼性能略有降低[11～15]。對鎂合金焊接過程進行模擬，觀察到焊接會產生大的塑性變形，如圖7所示，這導致焊接后的隔聲相對焊接前有所不足。

圖7 FSW過程產生的塑性變形Fig.7 The plastic strain of FSW process

5.2 焊接速度對隔聲量的影響

焊接速度是焊接過程中的一個重要參數(shù)，為此，焊接速度從30 mm/min改變到70 mm/min，步長為20 mm/min，得到各焊接速度下的隔聲量曲線如圖8所示。

圖8 不同焊接速度下的隔聲量曲線Fig.8 Transmission loss curve of different welding speeds

從圖8可以看出，在670～1 600 Hz的范圍內，同一工況下的隔聲量隨著頻率的增加而增加，但是不同工況下的隔聲量卻因焊接速度不同，呈現(xiàn)出比較明顯的差別，當焊接速度為30 mm/min時，隔聲量相對其他兩種焊接速度更大，如圖9所示是不同焊接速度下的振動速度曲線，表明在670～1 600 Hz內，焊接速度為30 mm/min時，產生的振動速度總體而言最小，板件的輻射噪聲就會相對比較小，導致隔聲量變大。在1 600～4 000 Hz內，不同焊接速度下的隔聲量相差不大，從圖9也可以看出，振動速度的變化并不明顯，而是彼此之間上下浮動。因此在實際應用中，有必要根據(jù)關心的頻段，選擇合適的焊接速度，以最大化改善隔聲性能。

圖9 不同焊接速度下的振動速度曲線Fig.9 Vibration velocity curve of different welding speeds

5.3 攪拌頭旋轉速度對隔聲量的影響

攪拌頭旋轉速度對焊接也是至關重要的因素，改變旋轉速度從600 r/min到1 000 r/min，步長為200 r/min，得到各工況下的隔聲量曲線（如圖10所示）。

圖10 不同旋轉速度下的隔聲量曲線Fig.10 Transmission loss curve of different rotation speeds

從圖10可以看出，在670～1 600 Hz內，同一工況下的隔聲量隨著頻率的增加而增加，但是不同工況下的隔聲量卻因攪拌頭旋轉速度不同，呈現(xiàn)出比較明顯的差別，當旋轉速度為800 r/min時，隔聲量相對其他兩種旋轉速度更大。1 600～4 000 Hz頻段內，隔聲量隨旋轉速度的變化，并沒有呈現(xiàn)出明顯的改變。產生這些現(xiàn)象的具體原因歸根結底也是因為振動速度不同導致的，在此不再詳述。因此，并不是攪拌頭旋轉速度越大或者越小越好，而是要選擇一個合適的速度才會有最佳的隔聲性能。

6 結語

1）使用ABAQUS中的自適應網格技術，不僅考慮大的塑性變形，而且準確地模擬了鎂合金攪拌摩擦焊的過程?？梢郧宄亓私夂附訉е碌淖兓蜑楹罄m(xù)聲學計算提供約束模態(tài)，解決了材料屬性難以確定的問題，一定程度上實現(xiàn)了焊接與聲學的結合。

2）使用FE-SEA混合法計算焊接件的隔聲量，與試驗結果進行對比，吻合良好，表明此種方法用來快而準地預測焊接件的隔聲量行之有效。

3）對比焊接前后鎂合金板件的隔聲量，發(fā)現(xiàn)在吻合低谷區(qū)，塑性變形導致焊接區(qū)阻尼減小，焊接后板件的隔聲量有所降低。

4）分別改變焊接速度和攪拌頭旋轉速度，觀察其對隔聲量的影響，結果表明，這些參數(shù)都需要合理的設置，例如，攪拌頭旋轉速度并非越大或者越小，隔聲性能就越佳。

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Research on sound insulation
characteristics of the friction stir welding magnesium alloy

Liu Chengwu1，Qian Linfang2

(1.School of Mechanical&Automotive Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118，China；2.School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China)

The friction stir welding(FSW)on magnesium alloy has already been widely used.Therefore，the research on its sound insulation characteristics appears particularly significant.Based on the adaptive meshing technique，the FSW procedure was numerically simulated to provide constraint mode for the next acoustic calculation，which solved the problem of the material properties and achieved a combination of welding and acoustic to some extent.Subsequently，designing and manufacturing a reverberation box to measure transmission loss(TL)of the welded magnesium alloy plate，which could make up the shortage of a reverberation chamber in measuring the little specimen.Based on FE-SEA hybrid method，the method was employed to calculate the TL which was then compared with the experimental one and showed better consistency，prove feasible to predict the TL in FSW on magnesium alloy.Comparisons between the welded magnesium alloy plate TL and the unwelded one could find that TL is reduced after welding.Changing the welding speed and the stir head rotation speed respectively to observing TL in order to study the influence of the welding parameters，which proves that the parameters should be required to set reasonable and neither the bigger nor smaller parameters is better.

friction stir welding；reverberation box；FE-SEA hybrid method；welding speed；stir head rotation speed

TB532

A

1009-1742（2014）08-0093-06

2013-11-15

國家863計劃項目（2012AA1111050）；福建省科技計劃重點項目（2013H0001）；福州市科技計劃項目（2012-G-108，2013-G-90）；福建省汽車電子與電驅動技術重點實驗室開放基金（ZDKA1301）

劉成武，男，1975年出生，安徽樅陽縣人，副教授，博士，研究方向為機械結構振動與噪聲控制、多學科結構設計優(yōu)化；E-mail：liucw@fjut.edu.cn