超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟.pdf

第44卷第3期2023年6 月文章编号：16 7 3-9 5 9 0(2 0 2 3)0 3-0 0 34-0 7大连交通大学学报JOURNAL OF DALIAN JIAOTONG UNIVERSITYVol.44No.3Jun.2023超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟马付建，陈绍,李锡伟（大连交通大学机械工程学院，辽宁大连116 0 2 8）摘要：为了研究6 0 6 1铝合金超声辅助搅拌摩擦焊接过程中温度场与焊缝区域材料流动等行为，采用耦合欧拉-拉格朗日方法，考虑超声振动对工件材料属性的影响，建立了6 0 6 1铝合金超声辅助搅拌摩擦焊热机耦合数值模型，通过示踪粒子监测材料流动行为，开展超声辅助搅拌摩擦焊试验，并对模型准确性进行验证。研究结果表明：焊接过程中焊缝材料首先被压缩至工件底部，随后在搅拌头的作用下向工件上表面与搅拌头后方流动；工件表面温度场与焊缝区域的等效塑性应变场均呈不对称分布，塑性应变区域集中于焊缝两侧共约2 5 mm的区域内，区域温度均高于40 0；焊核区域的形状与尺寸及飞边的位置和尺寸的模拟结果与试验结果基本吻合，验证了建立的热机耦合数值模型的正确性。关键词：超声辅助搅拌摩擦焊；温度场；材料流动；示踪粒子文献标识码：A超声辅助搅拌摩擦焊（Ultrasonicassistedfric-tionstirwelding，U A FSW）是在搅拌摩擦焊（Fric-tionstirwelding，FSW）的基础上，将超声振动作为辅助能量引入焊接过程中 ，使焊缝区域的工件材料在超声能场与搅拌摩擦能场的复合作用下形成焊接接头。与FSW相比,UAFSW可以降低焊接载荷，提高焊接质量，近年来逐渐在航空航天、轨道交通列车与船舶制造等领域内铝合金关键构件的焊接加工中显现出优势2-3。UAFSW焊接过程中温度、应力、应变和材料流动等行为的研究对深入理解UAFSW焊接机理和有效控制焊接缺陷具有重要意义。目前对铝合金UAFSW焊接过程的研究主要包括焊接试验和仿真模拟两种方式。在焊接试验中4-5 ,通常采用深埋热电偶或红外热像仪来获取焊接过程中的温度变化情况；通过标记材料示踪、彩泥模拟法和显微图像技术来获得焊接过程某一时刻的材料流动情况。由于焊接试验的复杂性与技术条件的限制,导致焊接试验在研究过程中的局限性。D0I:10.13291/ki.djdxac.2023.03.006目前研究UAFSW焊接过程的数值模拟方法主要有简单外加热源法、任意拉格朗日欧拉（A r b i t r a r y L a g r a n g i a n-Eu l e r i a n，A L E）法和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法。简单外加热源法6 通过定义焊接热源模拟焊接产热，适用于焊接温度场与残余应力场的研究；耦合欧拉-拉格朗日（Coupled Eulerian-La-grangian，CEL)方法7-8 实现了焊接温度场、应力场和材料流动等行为的模拟，但计算过程中易出现网格畸变，导致计算中断;CFD方法9-10 将产生剧烈塑性变形的材料视为不可压缩的黏塑性流体,不考虑焊接过程中工件材料的软化与硬化行为，在定义边界条件时存在较大的困难。CEL方法采用固定欧拉网格，材料在网格内发生流动，不仅解决了ALE方法中的网格畸变问题，又实现了边界条件的精确定义,非常适用于大变形问题的仿真建模,在传统FSW数值模拟中得到广泛应用-12 本文基于CEL方法，考虑超声振动对工件材料属性的影响，建立6 0 6 1铝合金UAFSW热机耦收稿日期:2 0 2 2-0 4-13基金项目：国家自然科学基金资助项目（5 15 0 5 0 5 7）；辽宁省自然科学基金资助项目（2 0 2 1-MS-295）；辽宁省教育厅科学研究计划资助项目（JDL2020015）第一作者马付建(198 2 一),男,教授。E-mail:通信作者：李锡伟（1999），男，硕士研究生。E-mail:第3期合模型，对焊接过程中的温度场和材料流动行为进行模拟，通过示踪粒子监测材料流动行为，并采用UAFSW焊接工艺试验验证模型的准确性。1有限元模型的建立1.1几何模型在铝合金CEL模型中,工件被设置在欧拉域内,欧拉域尺寸为7 5 mm75mm9mm，工件尺寸为7 5 mmx75mmx6mm,工件上方设置为空区域,尺寸为7 5 mm75mm3mm,用来容纳材料在焊接过程中的流动与变形，工件欧拉域几何模型见图1。空区域75图1工件欧拉域几何模型搅拌头被设置为拉格朗日体由直径为2 0 mm的轴肩与长为5 mm的锥形搅拌针组成,轴肩底面边缘设有半径为1mm的圆角，搅拌头几何模型见图2。图2 搅拌头几何模型1.2产热模型UAFSW焊接过程中，焊接热量的主要来源于搅拌头与工件间的摩擦产热与材料塑性变形产热，UAFSW产热分布见图3。温度/密度/(kg/m)比热容/J/(kgK)252.7001002.6852002.6573002.6204002.6025002.580马付建，等：超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟头的转速；r为轴心线距离。考虑焊接温度对摩擦系数的影响，本文采用与温度相关的摩擦系数变量对其进行修正，修61工件205d3d535搅拌头摩擦产热区工件塑变产热区图3UAFSW产热分布摩擦产热区域主要分布在搅拌头与工件相互接触的区域，根据剪切应力做功可以得到摩擦产热功率Q,为1131:Q,=Tfor=upar式中：T,为搅拌头与工件间的摩擦剪切应力；为接触界面的摩擦系数；p为接触压力；为搅拌正后的摩擦系数r为14：r=1-(T/Tm)o式中：T为接触界面的温度；Tm为6 0 6 1铝合金的熔点温度；9为修正系数,取值与工件材料有关；o为非振动室温条件下搅拌头与工作间的摩擦系数。塑性变形产热区域主要分布在工件的塑性变形区域,其产热功率Q为15 ：Qin=os式中：为工件材料塑性变形功的热量转化系数；为等效应力；为等效应变率。1.3材料属性本研究中采用6 0 6 1铝合金工件，考虑焊接过程中的温度变化对材料属性的影响，设置随温度变化的6 0 6 1铝合金材料热物性参数，见表1。搅拌头材料采用H13合金钢，密度为7 8 7 0 kg/m，杨氏模量与泊松比分别为2 11GPa与0.2 7 7。表16 0 6 1铝合金材料属性热导率/W/(mK)8961769781801 0281841 1041881 1331921160195(1)(2)(3)杨氏模量/GPa泊松比热膨胀系数/(1/）710.330700.333600.345540.355580.362430.3712.261052.331052.431052.551052.66 1053.2910536大连交通大学学报第44卷高计算精度，搅拌头采用10 节点热耦合位移修正材料本构采用Johnson-Cook模型,超声振动的引入可以降低材料的屈服应力，促进材料的塑性流动，引人声软化系数来表征超声对材料的影响，修正后的材料本构方程为：=A+Bs1+Cln(s/80):同方向定义接触条件。在UAFSW中，超声振动(1)与接触面温度的变化均会导致搅拌头与工件间的实际摩擦系数的发生改变，因此切向行为采用具式中：A为参考应变率8 和参考温度T,下的初始有非线性摩擦系数的罚接触算法；法向行为采用屈服应力;B为应变硬化模量;n为硬化指数;C为可以精准描述接触行为的硬接触算法。模型中焊材料应变率强化参数；m为材料的热软化系数；接热的主要来源为接触面的摩擦产热与材料塑性Tm为材料的熔点；为流动应力；8，为等效塑性变形产热，摩擦热转化为焊接过程中的产热比例应变；8/8 为相对等效塑性应变率。修正后的本系数为0.9,塑性变形热转化率为90%。构模型参数见表2。1.5有限元模型的建立工件采用8 节点热耦合欧拉单元EC3D8RT表2 本构模型参数进行网格划分，对焊缝区域的网格进行加密以提A/MPaB/MPa289.6203.41.4边界条件（1）力/速度边界条件工件底面设置固定约束与沿z轴方向的速度约束,前后面与侧面分别设置沿轴方向与x轴方向的速度约束。其中固定约束模拟工作台与夹具体对工件的装夹，速度约束防止材料溢出欧拉区域。搅拌头的旋转与进给运动通过与其绑定的参考点RP进行控制,RP点见图4。后退侧搅拌头前进侧工件焊缝X图46 0 6 1铝合金UAFSW有限元模型(2)热边界条件本研究在室温条件下进行，搅拌头、工件与环境的初始温度均为2 0。考虑实际UAFSW中工件底面与工作台表面之间的热传导行为，设定工件底面的热传导系数为10 0 W/（m K），将工件其余各面与空气之间存在的对流与辐射换热同时等效为对流换热考虑,设置其与空气间的对流换热系数为0.3 W/(mm.K)。(3)接触条件为了描述搅拌头与工件间的相互作用，从不Cn0.0110.351.34652.37mTmT,20四面体单元C3D10MT进行网格划分。设定搅拌头转速为95 0 r/min，轴肩下压量为0.1mm，下压时间为1s,搅拌头进给速度为6 0 mm/min,6061铝合金UAFSW有限元模型见图4。2模拟结果与验证2.1温度场不同焊接阶段的工件表面温度场分布见图5。图5(a)为搅拌头压入阶段工件表面的温度分布，由于搅拌头轴肩与工件表面接触时间较短和搅拌针产热效率较低，此阶段高温区域在搅拌头轴肩下方基本呈对称分布，峰值温度主要分布在轴肩边缘，达到49 8。当预热至2 s时，工件高温区域的形状大小与轴肩基本一致，焊缝区域的峰值温度达到5 0 8，焊接热影响区域的面积进一步扩大,见图5(b）,满足稳定焊接的需求。图5（c)为稳定焊接阶段不同时刻的工件表面温度场分布，随着搅拌头的进给，焊缝处的热量随着材料流动持续向搅拌头后方堆积，焊缝区域的温度场呈不对称分布，高温区域主要集中于后退侧与搅拌头后方，峰值温度较预热阶段略微下降至493。焊接结束时刻的温度场分布见图5（d），根据图5（c）、图5(d)可以看出,稳定焊接阶段焊缝区域的温度分布变化较小，但工件的整体温度明显提高。第3期NT11+4.981e+02+4.566e+02+4.151e+02+3.736e+02+3.321e+02+2.906e+02+2.491e+02+2.076e+02+1.660e+02+1.245e+02+8.302e+01+4.151e+01+0.000e+00NT11+5.086e+02+4.662e+02+4.238e+02+3.814e+02+3.391e+02+2.967e+02+2.543e+02+2:119e+02+1.695e+02+1:271e+02+8.477e+01+4.238e+01+0.000e+00NT11+4.935e+02+4.523e+02+4.112e+02+3.701e+02+3:290e+02+2.879e+02+2.467e+02+2.056e+02+1.645e+02+1:234e+02+8.224e+01+4.112e+01+0.000e+00NT11+5.030e+02+4.610e+02+4.191e+02+3.772e+02+3.353e+02+2.934e+02+2.515e+02+2.096e+02+1.677e+02+1.257e+02+8.383e+01+4.191e+01+0.000e+00图5 工件表面温度场2.2焊缝材料流动采用示踪粒子追踪技术，通过焊缝内部示踪粒子的运动模拟焊接过程中焊缝内部的材料流动情况,见图6。预热结束后即t=2s时刻释放示踪粒子,图6(a)为焊缝厚度方向上示踪粒子的初始分布状态。图6(b)为t=3s时的粒子分布情况，搅拌头进给时，搅拌头前方一部分示踪粒子向工件底部运动，底部的示踪粒子随着搅拌头的旋转向搅拌针的后方与上方运动，一部分示踪粒子向上移动到欧拉区域的上边界附近。图6(c）与图马付建，等：超声辅助搅拌摩擦焊接温度场与材料流动数值模拟(a)t=1 s风风岛区区区区88888