1060铝搅拌摩擦焊稳态流场的数值模拟

张成国,武小娟,孟凡玲

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

1060铝搅拌摩擦焊稳态流场的数值模拟

张成国,武小娟,孟凡玲

(沈阳理工大学 材料科学与工程学院,沈阳 110159)

通过计算流体力学软件Fluent构建了1060铝搅拌摩擦焊稳态流场有限元模型,对塑型金属材料的三维流场进行了研究。数值模拟结果表明:在工件厚度方向上,塑形金属的流动受轴肩影响明显,速度随到轴肩距离的增加而逐渐减小;纵截面上塑形金属流动方向多处发生改变;横截面塑性金属的流动受速度合成不同的影响,并不对称。前进边速度和变形范围比返回边的大。

搅拌摩擦焊;流场;数值模拟

搅拌摩擦焊接是由英国焊接研究所针对常规熔焊焊接性差的轻质有色金属开发的固相连接技术[1],随着该技术的不断发展,在工业各领域得到了广泛应用[2]。

搅拌摩擦焊过程中,塑形金属的流动对于焊缝成形和焊接接头质量有重要影响[3],一直颇受国内外学者的注意和研究。对塑型金属流场的模拟,是一种高效率低成本的方法,能补足试验方法难以准确得到搅拌头附近塑型金属的流动情况和规律的短板。Colligan K等人[4]对异种金属的搅拌摩擦焊研究表明,和同种材料焊接时比,材料都出现了强烈的机械混合和塑性变形,不对称性特征明显。Colegrove P A等人[5]使用Fluent模拟了搅拌摩擦焊塑性金属材料的流动情况,比较了不同搅拌头的流场流动情况。本文通过有限元软件Fluent对搅拌摩擦焊稳定阶段的搅拌头周围流场情况进行了模拟,并通过不同的截面展示和分析塑形金属流动的情况。对优化搅拌头的参数、探寻搅拌摩擦焊焊接机理和确定缺陷位置具有一定的意义。

1 搅拌摩擦焊的三维有限元模型的建立

搅拌摩擦焊是个相当复杂的过程,通常分解为搅拌头旋转挤进工件阶段、稳定焊接阶段和搅拌头运动停止并退出板材的三个过程。为模拟顺利进行和缩减计算时间,本模型仅对焊接稳定阶段进行模拟和分析,此阶段工件与搅拌头的相对运动保持不变,焊接横截面的性能和形状类似。将塑化金属在稳定焊接阶段的流动看作为一种稳态的流动。

1.1 模型的假设条件

搅拌摩擦焊过程中焊缝塑性金属物理性能和流动性能与液体相近,具有流体运动的特性[6],为实现模拟的顺利进行和缩短模拟运算时间,提出以下假设条件:(1)搅拌头与工件上表面垂直,忽略倾角对焊接过程的影响;(2)与工件直接接触的搅拌头表面符合固体无滑移前提,也就是搅拌头周围塑性材料随着搅拌头旋转时,其迁移速度与搅拌头旋转线速度相等;(3)材料密度恒定,流体不可压缩,将塑性金属在焊接过程中的移动设定为稳定状态下流动。

1.2 网格的划分和边界条件

用三维设计软件SolidWorks构建工件和搅拌头的几何模型,通过布尔减操作获得流场模型。工件简化成80mm×50mm×7mm同块长方体,搅拌头由轴肩和圆柱搅拌针构成。搅拌针长度为6.3mm,直径为8mm,轴肩直径为20mm。搅拌头位于工件中心,以降低边界条件的设定与实际情况的差异带来的偏差[7]。坐标原点位于搅拌针端面圆心位置。三维坐标中,纵截面上焊接前进方向沿着X坐标轴负方向,横截面上焊缝前进边与Y坐标轴负方向重合,搅拌针端面为Z=0mm截面。为避免构建模型的复杂化和不运用动态网格,模型中轴肩简化为一个平面,搅拌针表面无螺纹[8]。数据导入应用前处理软件GAMBIT,流体网格划分如图1所示。

图1 网格的划分

在实际搅拌摩擦焊焊接的过程中,工件被牢牢固定,搅拌头边旋转边前进,而模拟过程中依照常规的方式设置为搅拌头旋转,工件做平移运动。图2所示的为流场的边界条件。模型中共设有三种边界面,流体从速度进口面流入计算区域,经过旋转的搅拌头面,经压力出口面流出,塑性金属在此密封的通道中流动[9]。图中左侧面边界条件类型设置为速度进口面,方向和焊接速度相反,大小相等。图中右侧面边界条件类型设置为压力出口面,此为相对压力,大小为0,因为Fluent中压力是相对于操作压力而言。搅拌针壁面设置为动墙壁面,默认无滑移,大小和方向同搅拌头旋转速度相同,为700rpm。轴肩壁面设置相同。左右和上下墙壁面设置为静止壁面。

图2 边界条件

1.3 材料参数

本文研究内容是搅拌摩擦焊接稳定阶段流场的模拟,密度设定恒定为2700kg/m3,粘度是重要参数,测量难度较高,引用文献[10]数值0.4kPa·s,其他参数[11]见表1。

表1 铝1060不同温度下的材料参数

2 模拟结果与分析

图3显示的是整体流场图,能得出焊缝区域流场受到了搅拌头旋转带动作用,搅拌头附近塑性金属随着搅拌头旋转,但搅拌头影响范围有限。同时各处流动速度是不相同的:水平方向上,在轴肩影响范围内,材料的流动速度随旋转距离的增加而增大。轴肩轮廓外缘达到了最大值。

在轴肩影响范围之外,材料的流动速度急剧减小。厚度方向上,能够看出离工件轴肩越远的流场流速越小,离轴肩距离近的位置,流场范围大,流速高。随着离轴肩距离的增加,流场范围逐渐减小,流速逐渐降低。

图3 整体流场图

模拟软件的优势是可以在任意截面处观察塑性金属流动情况,下面选取几处典型截面给予更加清晰的显示。厚度方向上截取位于Z=6 mm、Z=4mm和Z=0mm水平截面。横向和纵向的截面分别位于X=0mm和Y=0mm处。流场模拟结果如图4所示。

图4 焊缝不同厚度处的水平截面流场图

取位于焊缝上表面较近处水平截面,观察流场情况,如图4a所示。此位置距离轴肩0.3mm,受轴肩影响较大。能够看出塑性金属流动基本呈现和轴肩相同形状大小的形貌,但区域比轴肩略大些。最大流动速度出现在轴肩影响范围边缘位置。前进边和返回边两侧的流线密度不相同。塑性金属流动在前方焊缝中心位置出现分流,轴肩带动部分材料从前进侧顺着搅拌头外缘到达轴肩后方区域。另外部分塑性金属继续随搅拌针旋转,并绕过焊缝中心线,继续迁移一定距离落在返回侧。

取焊缝厚度中间处水平截面,观察流场情况,如图4b所示。此位置距轴肩2.3mm,受轴肩影响已经较弱。相比于图4a塑性金属流动剧烈区域明显减小,仅略大于搅拌针水平截面。能够得出其主要受搅拌针作用。流体最高速度值也有所减小,能够得出轴肩对流体流动的带动效果比搅拌针要好。两者相同的是前进边和返回边两侧的流线密度不相同。流动速度上,前进边大于返回边。这是由于返回边流动速度方向和搅拌针旋转方向重合,两种作用互相叠加作用的结果[12]。

取搅拌针端面处水平截面,观察流场情况,如图4c所示。可以看出此截面塑形金属的流动轴肩已经没有影响,仅受搅拌针端面影响,但作用也明显减弱。塑形金属流动区域小,流动速度低,材料虽有迁移,但范围较小,流动不充分,这也是容易出现焊接缺陷的位置。

图5为焊缝纵向截面流场情况图,能够发现,最大切向速度出现在轴肩外缘位置。塑形金属向前流动中遇搅拌头的阻挡和旋转带动,轴肩下方附近塑形金属呈漩涡状,中间大部分材料绕着搅拌针旋转,还有小部分材料从搅拌针端面下方流过到达搅拌针后方。搅拌针后方附近的塑性金属出现分流,贴紧搅拌针的跟随搅拌针旋转,靠近搅拌针的向上迁移趋势大,并且越接近轴肩位置,此部分材料范围越大。离搅拌针距离略大的,向后迁移趋势大。

图5 焊缝纵截面流场情况图

图6为焊缝横截面流场情况图,由图6可看出,在轴肩带动影响下,搅拌头附近塑形金属流动方向明显发生改变。部分塑性金属在轴肩下方流动迁移形成漩涡,部分塑形金属随着轴肩旋转迁移,流动到后方填补移动造成的瞬时空腔。图中左侧是流场中的前进边,塑性金属的流动速度方向与轴肩的旋转速度方向一致。右侧是流场中的返回边,塑性金属的流动速度方向与轴肩的旋转速度方向正好相反。这两种速度效果相互叠加或抵消,造就了前进边塑性金属的最高速度和变形区域比返回边的大。

图6 焊缝横截面流场情况图

3 结论

(1)使用三维造型软件Solidworks构建了流场的三维几何模型,使用前处理软件Gambit通过非均匀四面体网格方法划分了网格,使用计算模拟软件Fluent模拟出了搅拌摩擦焊的流场情况。运用整体和不同截面对流场情况进行详细说明。

(2)在1060搅拌摩擦焊的流场中,在工件水平方向上,塑形金属的流动速度随到搅拌头旋转中心的距离的增加而减小;在工件厚度的方向上,塑形金属的流动受轴肩影响明显,速度随到轴肩距离的增加而逐渐减小。

(3)纵截面上塑形金属流动方向多处发生改变,有分流现象;横截面塑性金属的流动受速度合成不同的影响,并不对称。前进边速度和变形范围比返回边的大。

[1] 王国庆,赵衍华.铝合金的搅拌摩擦焊接[M].中国宇航出版社,2010:1-3.

[2] 关桥.搅拌摩擦焊—未来的连接技术[C]//北京：搅拌摩擦焊国际会议，2012:10-11.

[3] 王善林,柯黎明,邢丽.搅拌头形状对焊缝塑化金属流动行为的影响[J].南昌航空大学学报:自然科学版,2005,19(1):62-66.

[4] Colligan K.Material flow behavior during friction stir welding of aluminum[J].Welding Journal,1999,172(2):220.

[5] Colegrove P A,Shercliff H R.3-Dimensional CFD modelling of flow round a threaded friction stir welding tool profile[J].Journal of Materials Processing Technology,2005,169(2):320-327.

[6] 栾国红.搅拌摩擦焊流变特性研究[J].航空制造技术,2003(11):22-25.

[7] 张文斌.2A12铝合金搅拌摩擦焊温度场及塑性材料流动的数值分析[D].济南：山东大学,2010:32-33.

[8] 王鑫.7A52铝合金搅拌摩擦焊实验研究及流动仿真[D].北京：清华大学,2009:48-49.

[9] 姬书得,刘伟,张利国，等.基于湍流计算模型的TC4钛合金搅拌摩擦焊过程的流场分析[J].热加工工艺,2012,41(13):172-174.

[10] 李宝华.搅拌头形状与工艺参数对塑性金属迁移行为的影响[D].南昌：南昌航空大学,2008:73-74.

[11] 王艳辉.1060铝搅拌摩擦焊温度场数值模拟[D].镇江：江苏科技大学,2012:39-40.

[12] 金延野.搅拌摩擦焊接过程塑性流动特征研究[D].沈阳：沈阳航空航天大学,2013:33-34.

(责任编辑：王子君)

NumericalSimulationof1060AluminumStirringFrictionWeldingSteadyFlowField

ZHANG Chengguo,WU Xiaojuan,MENG Fanling

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By computational fluid dynamics software Fluent,1060 aluminum FSW steady flow finite element model is established,the numerical simulation of three-dimensional flow field of metal plastic material is studied.The results show that,in the direction of the thickness of the workpiece,the flow of the plastic is influenced by the shoulder,and the velocity decreases with the increase of the distance from the shoulder;the flow direction of the plastic is changed in many directions in the longitudinal section;the flow of the plastic is affected by velocity synthesis and not symmetrical in the cross section.The A_side velocity and deformation range are larger than the R_ side.

FSW;flow field;numerical simulation

TB391.9

A

2016-09-23

张成国(1991—)，男，硕士研究生；通讯作者：武小娟(1973—)，女，副教授，博士，研究方向：材料成型连接技术。

1003-1251(2017)05-0049-04