回填式搅拌摩擦点焊接头界面迁移及hook缺陷演变研究

李 可，李冬梅，宋奎晶，钟志宏，朱 帅，李 洋

(合肥工业大学 材料科学与工程学院，安徽 合肥 230009)

镁资源在地球上储量十分丰富，在地壳中的含量高达2.7%，在工业金属中仅次于Al与Fe位居第三位，同时，海水中也蕴含着大量的镁元素。镁合金具有良好的力学性能，散热性好，消震性好，弹性模量大，比强度高，能承受较大的冲击载荷，具有良好的耐腐蚀能力[1-3]。回填式搅拌摩擦点焊(RFSSW)是由德国亥姆霍兹学会发明的专利焊接技术，是由传统的搅拌摩擦焊技术发展而来，其消除了传统搅拌摩擦焊在焊后形成的匙孔，显著提高了焊接接头强度。

对于搅拌摩擦焊的数值模拟，已经有许多学者做了很多开拓性的工作。姬书得等人[4]利用流体力学软件Fluent模拟了回填式搅拌摩擦点焊过程的材料流动行为，结果表明，材料的流动速度随着到套筒内外壁距离的增加而减小，流速的最大值出现在套筒外壁处，但采用Fluent的流固耦合模拟往往对搅拌头和工件的接触作用进行了简化，不能描述实际的产热机制及界面的迁移演变。杜岩峰等人[5]采用Deform-3D软件对2219铝合金搅拌摩擦焊过程进行模拟，结果发现，搅拌摩擦焊焊缝温度场分布呈现上密下疏、前密后疏的状态。G.Buffa[6,7]等人用Deform-3D软件对搅拌摩擦焊过程进行模拟，发现温度主要由搅拌针旋转速度决定，后退侧温度一般高于前进侧，焊合区材料流动是非对称的。后退侧临近搅拌针的材料沿着搅拌针进行环向流动，其最终是否留在前进侧取决于焊接速度与搅拌针旋转速度的比值。哈工大赵运强等[8]采用Deform-3D软件ALE算法模拟7B04铝合金回填式搅拌摩擦点焊过程，得到了焊缝成形良好的模型，温度场分布及热循环与实验结果比较符合，但其只是主要分析了温度场热循环。为了计算方便，几何建模时将上下两个相同材料的板简化为一块板进行模拟，无法获得上下两块工件的界面迁移与hook缺陷等。Campanelli等人[9]通过对AZ31镁合金搅拌摩擦点焊搭接的研究，提出了焊点断裂失效的3种模式，第一种是沿着搭接界面从焊点中间断裂(TW)；第二种是从焊核剥离断裂(CPO)，以该种方式断裂的焊点性能较好，是比较理想的接头；第三种是混合断裂(NCPO)；其还定义了hook缺陷的高度(height)为未冶金结合区最高点到分界面的高度。

综上，本文建立温度场、应力和大变形场耦合的RFSSW模型，分析材料流动行为及变形行为，获得焊接过程中的温度场、流动场等分布特点，阐明RFSSW连接机理，揭示接头界面的迁移与hook缺陷演变规律。

1 热机耦合模型

1.1 几何模型

几何模型的实体造型用UG进行，网格划分在deform-3D中进行。被焊工件为20mm×20mm×1mm的AZ31镁合金，搅拌针、搅拌套、压紧环及背部垫板均采用H-13工具钢。搅拌针尺寸为30mm×Φ5.15mm，搅拌套内径5.15mm，外径8.89mm，高25mm。压紧环内径8.89mm，外径18mm，高20mm。背部垫板为20mm×Φ18mm圆柱体。为了提高计算精度及加快运算速率，仅对工具与工件接触紧密区域进行网格细化，工件四面体网格边长为0.5mm，被划分为71296个网格(图1)。

1.2 材料模型

1.3 接触条件、摩擦条件和界面换热

工件与焊具之间采用non-separable(非分离)式。剪切摩擦模型表达式为，f=mτ；式中，f为剪切摩擦力；m为摩擦因子；τ为剪切屈服应力。库伦摩擦力与作用在接触面上的正压力成正比，库伦摩擦模型较适用于低载荷条件，在塑性成形中，正压力一般大于制件材料的屈服应力，因此采用库仑摩擦模型求得的摩擦应力往往偏高，将大于制件剪切屈服应力，这使库仑摩擦模型的应用存在较大局限性[10]。剪切摩擦模型认为摩擦力不随正压力的变化而变化，仅与剪切屈服应力成正比，当m=0，τ=0，即无摩擦状态；当m=1，τ=τmax，摩擦应力达到最大值，即粘着摩擦状态，仅取决于制件材料的特性，适用于高应力载荷下的变形过程。本文选取剪切摩擦模型，摩擦因子为固定值0.4。工件和焊具及空气发生对流换热，设定对流换热系数hc=0.02N/(s·mm ℃)，工件与焊接工作台(垫板)之间的热交换系数设定为11 N/(s·mm ℃)，机械能转化为热能的比例系数选取软件默认的0.9[6]。

2 结果与讨论

1.2 温度场与热循环

模拟中设定焊接工艺参数为，扎入阶段旋转速度为1500r/min，搅拌套下扎速度为1mm/s，搅拌针上升速度为2mm/s；回填阶段转速为1500r/min，搅拌套回撤速度为1mm/s，搅拌针回填速度为2mm/s。图2所示为不同时刻焊点成型及温度场分布情况。

(a)t=0.2s；(b)t=0.4s；(c)t=0.6s；(d)t=0.8s；(e)t=1s；(f)t=1.2s；(g)t=1.4s；(h)t=1.6s；(i)t=1.8s；(j)t=2s图2 不同时刻焊点成型及温度场分布Fig. 2 Solder joint forming and temperature field distribution at different time

由图2可以看出，焊点表面成型良好，焊接过程中并未出现充填不满及环沟槽等问题，焊后表面平整。焊点温度分布总体上呈现中心高、两边低、顶部高、底部低的特点，这是因为在焊接过程中顶部与中心的材料与搅拌工具更为接近，所以温度更高[11]。温度并不是完全以焊点中心呈对称分布，是因为点焊过程不是个稳态温度场的过程，温度时刻在变化。在扎入过程的初始阶段，由于摩擦产热，工件温度迅速上升，回填式搅拌摩擦点焊的扎入过程不仅仅起到预热作用，在整个焊接过程中的产热占据很大比重[12]。在扎入阶段，材料已经达到或者接近达到峰值温度。在焊缝中心截面上选取数个特征点进行点追踪(图3)，发现X=2mm，Z=1mm处峰值温度最高且到达峰值温度所用时间最短，升温速率为439.8℃/s。随着与焊缝中心距离的增加，特征点所能达到的峰值温度和升温速率都显著降低(图4)。

图3 焊接热循环所取特征点位置示意图Fig. 3 Schematic diagram of characteristic points for welding thermal cycle

图4 特征点焊接热循环Fig. 4 Welding thermal cycle of characteristic point

2.2 界面迁移与hook缺陷演变

为了验证模型在研究整个焊接过程中界面迁移演变和hook缺陷方面的可靠性，对焊点最终成型的界面位置和hook形貌与试验进行对比。

图5所示分别为RFSSW焊点最终成型时刻界面所处位置与形态试验及模拟结果，由图可发现，最终成型时刻界面与初始界面位置接近，试验与模拟结果有较高吻合度，因此可以使用此模型进行RFSSW过程中界面迁移演变的研究。

由图6和图7可以清楚得看到焊接过程中界面迁移情况以及hook缺陷的演变过程，扎入阶段在焊点处，由于搅拌套下扎，搅拌套下方的双板分界面向下方迁移，而搅拌针下方的双板分界面随着材料向搅拌针与搅拌套形成的空腔内流动，界面向上迁移。在回填阶段，由于搅拌套的回抽与搅拌针的回填，界面迁移的运动趋势与扎入阶段方向相反。在扎入过程中并没有形成hook缺陷，hook缺陷是在回填阶段形成，在回填阶段，由于搅拌套的回抽及搅拌针的回填，搅拌套下方材料要向上流动，下板材料流入上板中，并与上板材料混合，大部分材料发生冶金结合，少部分材料未发生或不完全发生冶金结合，形成了hook缺陷。本文以焊点中心分界面的数值双板初始分界面的差值定义为分界面的迁移高度(简称迁移高度)，以及hook缺陷的顶点与双板初始分界面的差值定义为hook缺陷的高度(简称hook高度)。

由图8可知，扎入阶段，迁移高度随时间增加而增加且迁移高度增长的速率也逐渐增高，即迁移高度增长得越来越快，这是因为材料在高温下屈服强度较低，低温下屈服强度较高，扎入初始阶段，材料温度较低，屈服强度较高，塑性及流动性较差，界面迁移速度相对较低，随着焊接过程进行，材料温度升高，屈服强度降低，塑性流动性提高，界面迁移速率升高。回填阶段，迁移速率近乎恒定，迁移高度随时间增加而降低，焊接过程完成时，迁移高度相较于初始界面位置略微升高。在回填阶段，hook缺陷的高度随时间增加而增加，初始阶段hook高度为负值是由于hook形成在初始界面以下，总体上hook缺陷高度增长速率逐渐减小，在焊接完成时达到最大值(图9)。

图5 焊点最终成型时刻界面所处位置及形态模拟结果与试验对比[13]Fig. 5 Comparisons between experiment and simulation results of the position and shape of the interface at the final moment[13]

图6 界面迁移高度与hook缺陷高度示意图Fig. 6 Schematic diagram of height of interface migration and hook defect

(a)t=0.4s；(b)t=0.6s；(c)t=0.8s；(d)t=1s；(e)t=1.2s；(f)t=1.4s；(g)t=1.6s；(h)t=1.8s；(i)t=2s图7 界面迁移演变Fig. 7 Interface migration and evolution

图8 界面迁移高度随时间变化曲线Fig. 8 Curves of interface migration height with time

图9 hook高度随时间变化曲线Fig. 9 Curves of hook height with time

3 结论

在现有研究的基础上可以得到以下结论：(1)运用Deform-3D软件得到了较为可靠的回填式搅拌摩擦点焊数值模型。(2)回填式搅拌摩擦点焊的温度场为非稳态温度场，温度分布以焊点为中心呈现中间高两边低、顶部高底部低的特点。最高温度在焊点正中心与搅拌套外圈之间的过渡区域。(3)双板分界面的迁移在扎入阶段和回填阶段不同，扎入阶段迁移高度逐渐升高，且迁移高度增长的速率也逐渐增高，即迁移高度增长得越来越快。回填阶段迁移高度逐渐降低，速率总体上比较稳定。(4)在搅拌摩擦点焊中，hook缺陷在回填阶段形成，hook高度随时间累积逐渐升高，hook高度增长越来越慢，在回填过程即将结束时达到最大值。