基于ANSYS的超声搅拌摩擦焊系统设计与仿真*

夏罗生

（张家界航空工业职业技术学院，湖南张家界 427000）

搅拌摩擦焊技术（FSW）是一项可持续发展的绿色环保清洁战略技术，在高速轨道列车、航空航天飞行器、高速舰船快艇、汽车等轻型化结构以及各种铝合金型材拼焊结构制造中，已经显示出良好的技术和经济效益［1－4］。

1 超声搅拌摩擦焊的作用

搅拌摩擦焊技术已广泛应用于薄板和中等厚度铝合金板的焊接，取得了很好的焊接效果，但在焊接厚板时焊缝会出现焊接缺陷，这与搅拌摩擦焊接热能形成有关。搅拌摩擦焊接时，被焊材料热塑化所需热量主要来自搅拌头台肩与焊件上表面的摩擦生热，这样就导致了焊接时表层温度高、底层温度较低的情况。如果焊接厚度加大，焊缝组织会出现上下不均匀现象，在焊缝深层及底层会出现组织疏松或空洞等焊接缺陷［5－8］。

考虑到工程中广泛存在厚板焊接，为解决厚板焊接困难的问题，导入超声振动的搅拌摩擦焊接新方法。通过超声振动装置，向焊缝深层区导入超声振动机械能，利用超声波减小金属塑性流动阻力，增加其流变塑性的物理效应，改善材料力学性能，消除焊缝底层焊接不充分或组织疏松等缺陷［9－10］。

2 超声搅拌摩擦焊接系统工作原理

超声搅拌摩擦焊接系统是在现有搅拌摩擦焊接设备的搅拌头上加装超声装置构成，主要由超声波电源、超声换能器1、超声变幅杆2和搅棒针4等组成，如图1所示。超声波电源主要是将工频的交流电转换为超声频电振荡信号，为换能器提供激励输入。超声换能器1通过具有逆压电效应的材料，将来自超声波电源的电能量转换成声能量，并在换能器的端面产生超声频的机械振动。超声变幅杆2与超声换能器1紧密连接，由于变幅杆截面越小，能量密度越大，振动的幅值也就越大，因此变幅杆2能够将换能器输出端的超声振动放大。焊接时，超声换能器1将超声频电能转换成超声机械振动波，通过变幅杆2带动搅棒针4作超声波振动，与此同时，超声换能器1、变幅杆2、搅棒针4与台肩3一起高速旋转，钻入焊件5与6的接缝，并与焊件保持一定压力，周围金属在搅棒和台肩与焊件间的高速旋转摩擦作用下受热软化，并在高速旋转搅拌作用和超声振动的作用下，从搅棒前方流向后方并焊合。

3 超声搅拌摩擦焊接装置总体结构设计

超声搅拌摩擦焊接装置是实现厚板搅拌摩擦焊接的关键，根据超声搅拌摩擦焊接系统工作原理及搅拌要求，其总体结构如图2所示。常规的搅拌摩擦焊接设备中，搅拌针直接安装在焊机主轴前端，并由焊机主轴带动一起旋转。图2中，法兰盘7的前端锥面与焊机主轴1的锥孔配合进行定心，并通过联接螺钉连接，扭矩由焊机主轴1前端的端面键传递给法兰盘7。超声换能器5安装在法兰盘7中，由位于其节点处（振幅为零处）的凸肩、定位在法兰盘7中心、通过端面键8与连接套10联接，连接套10由其上部止口与法兰盘7定心，通过联接螺钉与法兰盘7联接并轴向压紧换能器5，超声变幅杆9与换能器5紧密联接，变幅杆下端与搅棒针11紧密联结。台肩13由连接套10内孔定心，并由止动螺钉12固定于连接套下端，台肩中心的孔与搅棒针11外圆构成动配合，侧向支撑搅棒，卸除变幅杆所受的弯曲载荷，并允许搅棒针作超声振动，台肩与搅棒无宏观相对运动，两者合在一起构成超声搅拌焊头，除搅棒作微幅超声振动外，其余与常规搅拌摩擦焊一样。法兰盘7外圆装绝缘套3，由压盖和压紧螺钉2实现与法兰盘7的固定，绝缘套3外圆固定两个铜环4，工作时，铜环随法兰盘7旋转，碳刷组件6固定于主轴箱上不动，碳刷组件上的两个碳块电极分别与两铜环保持接触，换能器5的两个电极经内部导线分别与两铜环导通。

工作时，来自超声波发生器的励振电压通过碳刷组件6经铜环4，再经连接在铜环上的接线柱与可回转的的超声换能器5的电极相连，即可将激励电压加在换能器5的压电晶体两端，从而在换能器的两端产生高频的机械振动。换能器的输出端经螺纹与圆锥形超声变幅杆9相连接，将换能器输出的微小振幅放大，从而在搅拌针11的端面产生高频小振幅的振动，一方面可以将振动的能量转化为热能，改善焊缝底层的金属的温度分布;另一方面，通过超声振动来改善焊接过程中软化材料的流动性能以及组织的再结晶过程等。

4 超声搅拌摩擦焊接装置仿真与分析

超声搅拌摩擦焊接装置能否达到改善焊缝力学性能，消除焊缝底层焊接不充分或组织疏松等缺陷的目的，取决于以下两个方面:一是超声搅拌摩擦焊接系统的固有频率是否与工作频率相同;二是在搅拌针前端产生的轴向超声振动是否是该超声搅拌摩擦焊接系统产生的主要振动。它们决定了此系统能否实现最佳的能量转换和传递，为此需对此超声搅拌摩擦焊接装置进行动态特性分析，主要包括模态分析（固有振动频率分析）和谐响应分析。由于该装置既有超声换能器的压电效应，又有机械结构所产生的放大作用，是一种结构场与电场的耦合场，若只对单一场进行仿真分析，其仿真分析结果与实践会有较大的出入，因此要真实反映实际情况，需将结构场与电场进行耦合，一起进行分析。ANSYS软件具有对两种或者多种物理场的交叉作用和相互影响进行综合仿真运算的能力，其中的PLANE23（耦合场四边形单元）、SOLID5（耦合场六面体单元）、SOLID98（耦合场四面体单元）等主要用于对压电晶体材料的机电耦合问题进行分析［10－12］。

4.1 模态分析

模态分析主要用来分析在无阻尼自由振动的条件下，超声搅拌摩擦焊接系统的固有振动特性，即结构的固有振动频率和振型。固有频率和振型是功率超声系统的重要特性，它决定了所设计的超声振动系统能否实现最佳的功率转换和传递。在建模时忽略电极片的厚度及连接螺栓以及预应力的作用，考虑到换能器和变副杆的几何形状为轴对称结构，建立有限元模型时可以只取其结构的1/4，然后在其剖分面上加上对称边界条件来处理，这样可以大量减少网格划分时形成的单元数目和节点数目，压电陶瓷采用带电压自由度的8结点六面体单元SOLID5，其余部分采用弹性8结点六面体单元SOLID5，采用SWEEP方式和Free方式相结合划分网格，所建立的模型及网格划分如图3。

对有限元模型进行加载和求解时，定义分析类型为模态分析，选择Block Lanczos方法，提取8阶模态，分别将压电陶瓷的负极3个面上所有结点的电压自由度耦合和正极2个面上的所有结点的电压自由度耦合。然后分别求解谐振状态和开路状态反谐振状态下压电陶瓷换能器的自然频率，求解结果如表1所示。从表中可看出，其一阶振型的共振频率为19.494 kHz，反共振频率为20.359 kHz。超声搅拌摩擦焊系统的一阶振型如图4所示，其中，虚线部分为最大伸长时的状态，实体部分为压缩时的状态，可见在一阶谐振频率处，超声系统的主要变形发生在轴向的纵振动，与设计要求是吻合的。

表1 超声系统的共振频率与反共振频率

4.2 谐响应分析

进行谐响应分析是用来确定超声搅拌摩擦焊系统在承受随时间按正弦规律变化的激励电压时的稳态响应，目的是计算出其动力响应，得到位移对频率的幅频特性曲线及其他随频率变化的情况。对于谐响应分析，峰值响应发生在激励电压频率和固有频率相等时，也就是说，只有当换能器的工作频率与其固有频率相等时，换能器的端面才能达到最大位移。ANSYS分析完成后，因为搅拌针端面的振幅是超声加工成功的关键所在，需在ANSYS后处理程序POST26中，定义一个变量jpc代表搅拌针端面1552号节点（图4中搅拌针端面圆心处）的纵向（Z方向）位移自由度，分析出jpc随频率变化的关系曲线如图5所示。可见，在频率为19.494 kHz附近，整个超声系统达到谐振状态，其位移为72 μm，在第二阶模态28.706 kHz附近，输出振幅减小了约50%。

5 结语

利用ANSYS软件的多物理场耦合功能，将超声搅拌摩擦焊接装置的换能器、变幅杆和搅拌针作为一个整体，将结构场与电场进行耦合，并综合考虑到压电耦合场的作用，建立了整个超声搅拌摩擦焊系统的有限元计算模型。通过ANSYS的模态分析和谐响应分析计算结果表明，其共振频率为19.494 kHz，与后来实际测量的共振频率19.56 kHz接近。在施加1 000 V的正弦电压时，其振动输出端的最大振动位移发生在频率为20 kHz左右，振幅约为72 μm，满足设计要求，所设计的超声振动系统能够满足搅拌工作时谐振的要求。

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