搅拌摩擦焊温度场分析

王杰 林名润 闫大鹏 周琼

摘 要：通过分析搅拌摩擦焊焊接原理，建立搅拌摩擦焊焊接过程数学模型，运用Full Newton-Raphson方法，编制搅拌摩擦焊焊接过程控制程序，对搅拌摩擦焊移动热源焊接的温度场进行模拟，得到的分析结果能够较为准确揭示搅拌摩擦焊焊接过程规律，为确定焊接工艺参数提供参考。

关键词：搅拌摩擦焊；温度场；数值模拟

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.221

1 引言

搅拌摩擦焊[1]（Friction Stir Welding，简称FSW）是一种新型的固态焊接工艺技术，与传统的焊接方法相比，它不但能够得到优良的焊接性能，而且能够焊接一些传统方法难以焊接的材料，随着该技术的不断发展，其应用范围不断扩大，已在航空、航天、船舶、汽车等领域得到广泛应用。

2 热源数学模型

根据已有的研究成果[2]，通常认为FSW的热源主要来自于搅拌针端面和搅拌头轴肩与工件摩擦面热源以及搅拌针侧面与工件摩擦体热源等几种形式[3]。在数值模拟中，忽略次要因素，根据库伦摩擦理论建立如下的搅拌摩擦热源的数学模型。

2.1 面热源

搅拌针刚开始与工件接触摩擦时，其顶锻力作用在搅拌针端面上。在搅拌针端面取出微元，则其受到的摩擦力为：

（1）

搅拌针旋转一周摩擦力对微元所做的功为：

（2）

对上式进行二重积分，得到摩擦力对搅拌针端面所做的功为：

（3）

则搅拌针端面摩擦生热的功率是：

（4）

同理可得，搅拌针轴肩处摩擦生热功率是：

（5）

其中是摩擦系数，是顶锻力，搅拌针根部半径，是轴肩处半径，是旋转角速度。

2.2 体热源

当搅拌针周围的工件温度达到横向焊接的条件时，搅拌头便会横向移动，在此过程中产生的热量主要是搅拌针克服材料的剪切应力所产生的摩擦力生热。为分析方便并不失一般性，假设搅拌针的形状是圆柱体，与搅拌针热源分析类似，在搅拌针侧面上取一个微元，则微元受到的摩擦力为：

（6）

当搅拌针旋转一周，侧面产生的摩擦力所做的功为：

（7）

因此搅拌针与焊接面的摩擦力做功为：

（8）

其中是焊接速度。

3 数值模拟边界条件

边界条件指导热物体边界面上与外部环境之间在热交换方面的联系或相互作用，在模拟FSW的焊接过程中，边界条件主要有如下的几类[4]：

除去焊合面，工件余下的三个面全部裸露在空气中，该部分满足对流边界条件；工件上表面除去与轴肩接触的那部分作为热源外，其它作为对流的边界；对于焊合面，在焊接过程中是变化的，在焊接过程中，未焊合部分的温度都很低，有少量的热量损失，所以把焊合面简化为绝热面。

4 加载程序

在ANSYS软件中，编写APDL[5]程序实现搅拌摩擦焊热源移动焊接的温度场的模拟。在程序中建立一个随热源一起移动的柱状坐标系模拟搅拌头状态，采用阶跃式加载方法，运用Full Newton-Raphson方法，每进行一次平衡迭代就修正一次刚度矩阵。整个模拟过程中分为两个阶段，第一个阶段是搅拌针的预热过程。第二个阶段是搅拌头沿着工件的长度方向移动焊接。

在本次模拟中，采用比较常用的2A14铝材料，工件长度240，宽度100，高度60，焊接速度30。

5 模拟结果

定义好以上参数之后进行求解，在分析结果中提取四个时刻的温度场分布云图。

前30的时间是搅拌针插入工件的过程，从图中可以此时的温度最大值与后续时刻相差不多，且其温度场分布较为规则，类似圆形。预热之后其搅拌针的运动状态是旋转加横向移动，随着搅拌针向前推进，其温度场云图如图2中的（b）、（c）、（d）。

随着焊接过程的进行，工件中温度场分布是向前逐渐扩大，其最高温度区域是随着搅拌头的移动而移动，搅拌头与工件发生摩擦的区域温度远高于其他区域。

在工件方向上分别取不同的特性点，利用ANSYS時间后处理器，得到不同点处的温度变化曲线图。

工件的是搅拌头的移动方向，不同点处的温度时间历程曲线大体相同，说明除了初始预热阶段外，其后续的焊接过程基本上是“稳态历程”。是工件的宽度方向，从图中可以看出越靠近焊接区域位置其温度越高，当达到最大温度的时候，其温度下降速度较慢，距离焊接区域较远处尤为明显。是工件的厚度方向，从图中可以看出在其上表面的温度较高，主要是因为工件的表面存在搅拌轴肩的面摩擦，产生的热量较多的原因造成。

6 结论

本文利用ANSYS中的APDL求解器对FSW的焊接过程进行了数值模拟，得到不同时间历程下的温度场云图和不同点的温度变化曲线图，分析的结果能够大体符合实际的焊接状况，为搅拌摩擦焊的进一步的研究和焊接过程工艺参数确定提供参考。

参考文献：

[1]G.Buffa.Design of the friction stir welding tool using thecontinuum based FEM model.Materials[J].Science and Engineering A，2005.

[2]王建华等.搅拌摩擦焊接的传热和力学计算模型[J].焊接学报，2000，21（04）：61-63.

[3]王大勇，冯吉才，王攀峰.搅拌摩擦焊接热输入数值模型[J].焊接学报，2005，26（03）：25-28，32.

[4]王卫兵，董春林等.铝合金搅拌摩擦焊接热力学耦合数值模拟[J].航空制造技术，2009（16）.

[5]ANSYS，Inc.Theory Reference.[Z].

作者简介：王杰（1985-），男，安徽宿州人，硕士，主要从事战术武器地面作战装备技术研究。