鋁鈦異種金屬攪拌摩擦搭接焊的數值模擬研究

賀巍亮，魯 歡，王彥誠，劉艷申

(陜西工業(yè)職業(yè)技術學院 航空工程學院， 陜西 咸陽 712000)

21世紀飛機輕量化的設計理念不僅可以提升飛機的燃油效率、降低能源的消耗，而且有助于提高飛機性能[1]。然而目前飛機結構中薄壁蒙皮與肋條的裝配通常采用鉚接進行連接。眾所周知，鉚接連接不僅容易造成飛機壁板氣密性變差，還會導致飛機整體質量的增加以及飛機結構件強度的降低[2]。因此，當下航空制造業(yè)領域急需采用新型連接工藝以替代原有的鉚接連接方式，從而實現飛機結構的輕量化與高可靠性[3]。

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

本文針對飛機制造過程中常用的攪拌摩擦焊工藝，采用ABAQUS有限元分析軟件對鋁-鈦和鈦-鋁兩種搭接接頭攪拌摩擦焊工藝展開三維數值模擬研究，并比較了不同焊接工藝的優(yōu)劣，旨在為實際生產摸索出合適的工藝參數提供參考。

1 有限元模型

1.1 幾何模型

本次進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Ti/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對焊接接頭的力學性能和表面形貌都有重要影響，此外為了保證焊接過程中有足夠的熱輸入以期獲得質量優(yōu)異的接頭，本文采用的焊接工藝參數如表1所示。

圖1 攪拌摩擦搭接焊示意圖

表1 模擬用焊接參數

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熱源模型，該模型認為當焊接達到穩(wěn)態(tài)時，攪拌摩擦焊接過程的熱輸入Q主要由攪拌頭與工件相互摩擦作用產生，摩擦力可轉換為待焊材料的剪切流變應力與接觸面積的乘積[7-8]。同時根據Mises屈服準則，最終將摩擦力轉換為與材料屈服強度有關的表達式。將軸肩的熱流密度定義成關于焊縫中心面對稱分布的面熱源qs，攪拌針熱流密度近似為熱量均勻分布的體熱源qp，且忽略焊接過程中只占很少量的塑性變形產熱。即

面熱源計算公式可表示為

(1)

體熱源計算公式可表示為

(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 網格劃分

圖2是焊接模型有限元網格的劃分情況。模型采用單元類型為八節(jié)點六面體的C3D8T單元的網格進行劃分，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過程是不均勻加熱過程，為了保證模擬的準確性以及減少計算成本，采用非均勻網格進行劃分。焊縫及近焊縫區(qū)域由于溫度及應力變化劇烈，網格采用尺寸為1 mm×1 mm×1 mm的小網格；而遠離焊縫區(qū)域由于熱傳導的作用，溫度變化相對不劇烈，因此采用較稀疏的網格。

圖2 網格劃分

1.4 邊界條件

鋼制墊板和壓板在實際FSW過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圍環(huán)境溫度均為20 ℃。試樣與工裝之間的接觸散熱系數為200 W/(m2·℃)，與空氣接觸的鋁合金自由表面對流散熱系數為40 W/(m2·℃)，鈦合金自由表面對流散熱系數設為20 W/(m2·℃)，焊縫區(qū)域的對流散熱系數為100 W/(m2·℃)，輻射率設為0.75。

1.5 材料屬性和模擬參數

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

圖3 TC4鈦合金和2024鋁合金材料熱物理參數

2 數值模擬結果與分析

2.1 溫度場實驗驗證

采用K型熱電偶對攪拌摩擦焊接過程進行溫度測試，以期驗證所建立模型的合理性與準確性。為了保證測溫數據嚴密性，垂直于焊縫方向選擇兩處特征點進行測溫，測溫點位置如圖4所示。以Al/Ti搭接為例，各參數下實驗測溫所得溫度峰值(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 ℃。通過比對發(fā)現兩者的誤差分別為：7.22%、5.64%、4.49%、2.76%、2.86%。實驗和模擬較小的誤差直接證明了本文所建立的模型能夠準確地描述焊接過程。

圖4 測溫點位置示意圖(mm)

圖5 模擬與實驗溫度峰值對比

2.2 模擬結果分析

2.2.1 焊接溫度場云圖的分析

圖6是不同搭接工藝下攪拌摩擦焊的溫度場云圖分布情況。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的區(qū)域溫度也會逐漸降低。由于鋁合金和鈦合金的搭接屬于異種合金搭接，鋁合金的熱傳導系數遠大于鈦合金。這就造成了高溫區(qū)域沿焊縫兩側呈現非對稱分布，且熱量不斷向周圍擴散形成明顯的溫度梯度，最終導致焊件上表面的高溫區(qū)域呈現典型的橢圓形。

圖6 不同搭接工藝下的溫度場分布云圖

在焊接穩(wěn)態(tài)階段中，攪拌頭后方的材料先后經歷了摩擦生熱以及后續(xù)的熱傳導加熱，而前方未焊接的材料在攪拌頭未達到之前，溫度的變化主要受熱傳導的影響。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。

對于攪拌摩擦焊而言，摩擦熱主要來自于攪拌頭與材料的摩擦，其中軸肩產熱約為攪拌針產熱的三倍[9]；同時焊縫底部與鋼制墊板接觸，兩者之間接觸換熱系數遠大于焊縫上表面與空氣之間對流換熱系數。在熱輸入比例與換熱系數的雙重作用下，使得焊件上表面的高溫區(qū)域寬度大于底部，從而導致搭接接頭橫截面上溫度分布呈現碗狀，如圖7所示。

圖7 搭接接頭橫截面溫度場分布

2.2.2 轉速對于溫度循環(huán)曲線的影響

焊接速度為30 mm/min時，不同轉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，當攪拌頭達到所選取的焊縫中心特征點時，溫度達到峰值。由于焊接過程中攪拌頭始終處于動態(tài)，隨著攪拌頭的遠離焊縫中心特征點的溫度逐漸降低，中間沒有明顯的保溫過程。同時發(fā)現，隨著旋轉速度的增大，焊縫中心點的溫度峰值增大，以Al/Ti搭接為例，當轉速分別為1 000、1 100、1 200、1 300、1 400和1 500 rpm時，焊縫點的溫度峰值分別達到272.2、282.7、303.3、327.3、361.5和374 ℃。在相同的焊接速度下，旋轉速度的增加意味著在單位時間內攪拌頭與材料之間摩擦圈數增大，并使得摩擦產熱增多，進而導致焊縫中心點的溫度峰值升高，這一現象同樣適用于Ti/Al搭接。

圖8 轉速對焊縫中心溫度峰值的影響

垂直于焊縫方向測溫特征點的分布位置如圖9 (a)所示，其中特征點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的溫度循環(huán)曲線。由圖9可知，各參數下特征點的溫度循環(huán)趨勢基本相同，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。而遠離焊縫中心的特征點僅受到熱傳導的作用，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下特征點的溫度循環(huán)曲線

2.2.3 轉速對于搭接界面點溫度的影響

圖10是在焊接速度為30 mm/min，不同旋轉速度對搭接界面點溫度影響的循環(huán)曲線，圖10(a)為焊接穩(wěn)態(tài)階段中選取的搭接界面點位置，10(b)和(c)為不同搭接條件下搭接點的溫度循環(huán)曲線。由圖10(b)和圖10(c)可知搭接界面點的溫度趨勢基本相同，當攪拌頭達到搭接界面點時，界面點溫度達到最大值；隨著攪拌頭遠離搭接界面點溫度逐漸下降，但是還會受到攪拌頭摩擦熱的影響而使得溫度下降較為緩慢；當焊接結束后，搭接界面點的溫度下降趨勢變大，即經歷了迅速升溫和降溫的過程。

圖10 搭接界面點的溫度循環(huán)曲線

對比圖8和圖10的溫度循環(huán)曲線可以看到，搭接界面點的溫度峰值均小于搭接接頭焊縫上表面點溫度峰值，這與攪拌針與軸肩的產熱量的差異有關。對于Al/Ti搭接(鋁上鈦下)而言，當轉速分別為1 100、1 200、1 300、1 400和1 500 rpm時，搭接界面點的溫度峰值分別達到253、267、290、317和340 ℃。由于TC4鈦合金熔點遠大于2024鋁合金，攪拌頭無法在搭接界面上生成足夠熱量以保證材料的塑性流動，這會導致搭接接頭組織產生孔洞、界面遷移等缺陷，從而嚴重影響到搭接接頭的質量。

對于Ti/Al搭接(鈦上鋁下)而言，當轉速分別為270、250、230、210和190 rpm時，搭接界面點的溫度峰值分別達到570.9、530.3、505.7、490.7和450.8 ℃。經查閱文獻得出[10]，2024鋁合金的熔點范圍485～520 ℃，因此當旋轉速度為190～230 rpm時，界面點的溫度峰值小于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半固態(tài)性質。當旋轉速度為250和270 rpm時，界面點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過程中攪拌頭一直向前移動，材料在高溫下的停留時間較短，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。當焊接參數合理時，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量。

3 結 論

(1)在攪拌摩擦搭接焊的穩(wěn)態(tài)階段，由于軸肩產熱大于攪拌針產熱，導致搭接界面點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碗狀。

(2)隨攪拌頭旋轉速度的增加，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量。