搅拌摩擦焊中热过程数值模拟分析

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摘要搅拌摩擦焊(FSw)作为一种固相焊接技术在铝及其合金的焊接方面显示出了巨大的优势。搅拌摩擦焊温度场的分析是深入研究各种工艺参数、焊接缺陷、组织结构和组织性能的前提。本文主要采用ANSYS有限元软件模拟分析搅拌摩擦焊中温度场的分布及特点。在所建立的搅拌摩擦焊的热输入模型中，采用了动态坐标系，将坐标系建立在移动的搅拌头上。并且提出了假定的焊接条件和边界条件，针对三种不同的接触条件进行分析，还结合实际焊接条件给出了热输入功率的计算公式。本文最重要的内容就是搅拌摩擦焊中热过程的模拟分析。本文模拟分析了LYl2和7075两种薄板铝合金和LDl0厚板铝合金的搅拌摩擦焊温度场。在两种薄板铝合金的模拟分析中，从摩擦系数不变和摩擦系数随温度变化两种情况对铝合金搅拌摩擦焊的温度场分布进行分析。对于LDl0厚板铝合金采用摩擦系数不变的条件对焊接温度场进行分析。得到了焊接工件上不同位置，不同节点以及不同时间的温度变化曲线，从中总结出了铝合金搅拌摩擦焊温度场的变化规律。其中着重分析了7075薄板铝合金和LDl0厚板铝合金焊接接头的组织结构，分析各个不同区域组织结构与温度场分布之间的关系，来验证搅拌摩擦焊温度场的准确性。异种板焊接是搅拌摩擦焊研究中的新课题，结合实际的焊接情况和要求，本文研究了异种板的搅拌摩擦焊，并且模拟分析了异种板搅拌摩擦焊的热过程。本文从两种不同铝合金板的搅拌摩擦焊和铝基合金与钢材之间的搅拌摩擦焊两种情况分析异种板焊接的温度场分布，提出了不同于同种板焊接的热输入模型和边界条件，得出了异种板焊接特殊的温度场分布形式。而且还对铝基合金与钢材的搅拌摩擦焊接头进行详细的描述，对比实际焊接情况对其组织结构和形式进行分析，很好的验证了搅拌摩擦焊焊接异种金属材料的优越性。根据本文的详细描述和分析验证，采用搅拌摩擦焊工艺焊接铝合金和异种金属的焊接都可以得到很好的接头质量，并且从焊接温度场的分析中可以为搅拌摩擦焊工艺的确定和发展提供理论依据。关键词：搅拌摩擦焊；热过程；铝合金；异种板；数值模拟；微观金相组织 ABSTRACTFrictionstirwelding口SW)hasalargeofadvertiseinthealloyaluminumweldingasasolidweldingtechnology．Thetemperaturefieldsimulationisthepremisetoanalysisthevariousparameters，weldingdefects，microstructureandperformances．ThisarticleismainlysimulateandanalysisthetemperaturedistributionandcharacteristicsofFSWusingANSYS．AndIamestablishthefrictionstirweldingheatinputmodel，useingthedynamiccoordinatesystemwiththetools．Inlightofactualconditions，Iassumpttheweldingconditionsandboundaryconditions，andgivetheweldingheatinputpowerformulas．AnimportantaspectofthispaperisFSWthermalprocesssimulationandalalysis．Inthepaper,IsimulatetheFSWtemperaturefieldontheLY12and7075twosheetsofaluminumandaluminumalloyplateLD10．Inthebothalloysheetssimulationanalysis，thepaperisanalysisfromethefrictioncoefficientisnotchangedanditschangedwiththetemperature．LDl0aluminumalloyplateisusingtheunchangedcoefficientoffrictionweldingconditionsoftemperaturefieldforanalysis．Wecanreachthedifferentlocation，differentnodesanddifferenttimetemperaturecurveandconcludedthelaws．Ifocusonananalysisof7075sheetsofaluminumandplateLDl0weldediointsoftheorganizationalstructure，obvercisetheVariOUSregionalorganizationsstructureandtemperaturedistribufionoftherelations．DissimilarplateweldingisnewissuesinFSW．Inlightoftheactualsituationandtheweldingrequirements，IgivethedissimilarplateweldingusingfrictionstirweldinginthepaperIsimulateandanalysisofmutanthotplateweldingprocess．ThispaperanalysisofthedifferencesspeciesplatetemperaturedistributioninordertOtwodifferentaluminumalloyplateandaluminumalloyandsteelproducts．Atthesametime，Igivetheweldingheatinputmodelandboundarycondituonsdifferentformthesameplatewelding，andcometotheplateweldingdissimilarspecialtemperaturedistribution．Similarly，Ialsogivethedetaileddescriptiontothealuminumandsteeloffrictionstirweldingaboutthejointorganizationalstructureandform．Wecanseethegoodtestoffrictionstirweldingofdissimilarmetalssuperiority．AccordingtothispapeLwecanknowusingthefrictionstirweldingtechnologytoweldthealuminumalloyanddissimilarwetalscangetverygoodqualityofthe weldjoint．Wealsogettheidentificationanddevelopmentoftheoryaboutfrictionstirweldingprocessfromtheweldingtemperaturefieldanalysis．KEYWORDS-Fricitionstirwelding，thermalprocess，aluminiumalloy,dissimilarplatewelding，numericalsimulation，microstructure． 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。、学位论文作者签名：嗜尹签字日期：伽口7年多月／了日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：素尹颐桶签字日期：≯卯7年么月，了日导师签名：苫29冬即洲§签字日期：7叼年占月l占日 第一章绪论1．1前言摩擦焊是利用工件端面互相运动、互相摩擦所产生的热，使端部达到热塑性状态，然后迅速顶锻，完成焊接的一种方法。虽然摩擦焊可以方便地连接同种或异种材料，包括金属、部分金属基复合材料、陶瓷及塑料，但是焊接的对象主要是回转形零件，限制了它的发展和应用。搅拌摩擦焊是(FrictionStirWelding)是由英国焊接研究所T、Ⅵ(TheWeldingInstitute)于1991年提出的专利焊接技术【ll。搅拌摩擦焊除了具有普通摩擦焊技术的优点外，还可以进行多种接头形式和不同焊接位置的连接。经过十多年的发展，搅拌摩擦焊技术已经日趋完善并成功应用于诸多轻合金(主要是铝、镁、铜、锌及其合金)结构制造领域，可焊厚度为2--一50mm。例如：挪威已经建立了世界上搅拌摩擦焊商业设备，可焊接厚度3～15mm、尺寸6×16m2的铝合金船板；1998年美国波音公司的空间和防御实验室引进了搅拌摩擦焊技术，用于焊接某些火箭部件；麦道公司也把这种技术用于制造Delta运载火箭的推进剂贮箱【2，31。搅拌摩擦焊技术主要采用摩擦生热原理进行焊接。如图1．1所示，将待焊接的材料对接或搭接放置于垫板上，并夹紧，焊接时搅拌头一边高速旋转，一边插入焊接接头中，当它与工件相接触时，轴肩与工件摩擦生热，迅速加热接触的材料，使材料成为塑性状态，但温度低于熔点：搅拌头沿着缝隙向前行进，并在作用力下挤压接触材料，受到挤压的塑性材料受到搅拌，由前向后流动，待搅拌头移走后，塑性材料冷却，形成固态焊接。与其他焊接方法比，搅拌摩擦焊具有如下特点：(1)控制参数少、易于实现自动化，焊缝质量一致性高；(2)焊前准备和焊后处理工作很少，降低劳动强度，提高工作效率；(3)焊接温度相对较低，焊缝区的残余应力和残余变形显著减少；(4)采用立式、卧式工装均可实现焊接；．(5)搅拌摩擦焊不产生弧光、烟尘、噪声等污染，属于绿色加工方法； 第一章绪论(6)焊件接合面的装配间隙小于焊件厚度的10％时，不会影响接头的质量。搅轴向压力图1-1搅拌摩擦焊技术的原理头前沿但是搅拌摩擦焊也有自身的工艺局限性，主要表现为：(1)需要施加足够大的顶锻压力和向前驱动力，因而需要由一定刚性的装置牢固地夹持待焊零件来实现焊接；(2)由于搅拌头的回抽，焊缝末尾会存在“匙孑L"，焊接时需要增加“引焊板"和“出焊板"；(3)与弧焊方法相比，搅拌摩擦焊缺乏相对的工艺柔性，对工装设备要求较高，难以用于复杂焊缝的焊接，由于需要施加很大的项锻压力，也无法在机器人等设备上应用；(4)出现焊接缺陷时，为保证接头的高性能，需要固相焊接方法进行补焊。1．2搅拌摩擦焊中热过程的研究方法搅拌摩擦焊接过程中，试件经受的热循环程度和温度场分布是搅拌摩擦焊接研究的重点内容之一41，因为搅拌摩擦焊作为固态焊接技术，与传统的熔焊热过程研究有很大的不同。一般认为，搅拌摩擦焊较之熔焊最大的优点就是较低的热输入。研究表明搅拌摩擦焊的最大温度只有熔焊的80％"---90％，也就是焊缝处最高温度只有材料熔点的80％"-'90％。理想的焊缝成型就是在一定的温度下，搅拌头附近的材料达到塑性状态而不是熔化状态。在焊接过程中，不断调整焊接参数例如旋转速度、焊接速度及顶锻压力等来保证搅拌头周围的材料流动和焊缝固化的温度。在焊接过程中，输入热量的大小以及温度分布都直接影响到焊接质量。焊接热输入就是被焊金属中存在的热量传播和分布的问题，他贯穿整个焊接过程的始 第一章绪论终，是焊接质量，组织性能和生产率的主要影响因素之一。在实验中发现，由于焊接参数选择不当而造成焊接过程中热输入的不合理，会直接影响到焊缝的表面形貌和力学性能。所以搅拌摩擦焊接过程中温度场的变化规律对研究焊缝金属流动，分析焊接应力及应变，深入了解搅拌摩擦焊焊接机理，制定合理的焊接工艺都具有十分重要的理论意义和现实意义【5-71。研究焊接传热和热循环过程是研究摩擦表面高温粘塑性金属的形成、流动扩展和分布；接头力学冶金过程和焊接应力应变动态过程等的基础f81。焊接温度场的研究通常有两种途径，其一是建立在理论基础上的温度场计算；其二是实际测量的温度场。由于焊接过程的复杂性，所以至今所使用的分析方法几乎都是建立在各种假设和简化条件的基础之上，并不完全附合焊接的实际情况【9’10】。因此有关各种焊接传热学的计算和分析都是理论分析和实验验证相结合的。目前FSW焊接过程的温度场分析主要采用两种方法，一种是基于固体力学的有限元方法，另一种是基于粘塑性流体模型的计算流体动力学方法。而目前普遍使用的求解方法为数值解法。它是以离散数学为基础，以计算机为工具的一种求解方法，虽没有解析解法那样严密但是对实际问题有很大的适应性。常用的数值解法有数值积分法、有限差分法和有限元法三种，在实际的分析过程中是以后两种为主。有限差分法对于具有规则的几何特征和均匀的材料特性问题，程序设计较为简单，收敛性也比较好。但是局限于规则的差分网格，只看到了节点的作用没有重视单元的作用。而有限元法则有效地解决了这个问题。有限元法的基本思想主要为，首先对求解的区域进行离散化，即把具有无限多个自由度的连续体化为有限多个自由度的结构物；其次选择一个表示单元内任意点的位移随位置变化的函数式，并按照差值理论将单元内任意点的位移通过一定的函数关系用节点位移来表示。随后则从分析单个的单元入手用变分原理来建立单元方程；最后把所有单元集成起来并与节点上的外载荷相联系，得到一组以节点位移为未知量的多元线性代数方程引入位移边界条件，以后即可进行求解。用有限元法分析热传导的过程是：(1)把传热问题转化为变分问题；(2)对物体进行有限单元分割，把变分问题近似表达成线性方程组；(3)求解线性方程组，使得求解作为热传导问题解的近似值【11】。目前，国内外大多数的研究主要是采用有限元法来分析焊接热传导问题，因为有限元法对焊接温度场的计算可以服务与焊接热应力场的计算。 第章封}睦1．3搅拌摩擦焊温度场的研究现状1．3．1搅拌头的设计搅拌头的选材与形状i5}汁是搅拌胯摔焊的关键。高温丁作的稳定性和耐踏性是揽_卜|_头选材的甚本要素。搅拌头杉科仃高温【作时应该且仃良蚶的牌、动忐陀能。搅拌针的形状设计有：个要点：(1】提高摩擦热的利用半：(2)搅拌针耍产巾允分的搅功效果；(3)搅拌针对转移金属要产牛向r的旋压作用以获得敦密的-岛质量焊缝。搅拌制在焊接过程中不仅通过与接台【酊的摩擦来提供热量，更巫业的足起到机械搅拌作用，因而搅拌针的形貌和几十f尺、J影响萧软化金属的流动形．【{I=刖被切削材料的体积，进而影响接头的力学性能。图1．2珏不了几利一不同形状的搅拌针。图I_2几种不¨搅拌针形状a)外开形搅拌针形状c)偏心咖JB搅拌针(b)锥形蝶纹搅拌引(d】偏心圆螺纹搅拌针胃。囊 第一章绪论除了搅拌针，搅拌头上最重要的就是轴肩。轴肩在焊接过程中主要起两种作用：1)通过与焊件表面间的摩擦，提供焊接热源；2)提供一个封闭的焊接环境，阻止塑性软化金属从轴肩溢出。一般的在设计搅拌头时，搅拌探头和轴肩交界处中间有凹入，这种设计在焊接过程中能够保证轴肩端部下方的软化金属受到向内方向的力，从而有利于将轴肩端部下方形成的软化金属收集到轴肩端面的中心以填充搅拌探头后方所形成的空腔；同时可以减小焊接过程中搅拌探头内部的应力集中而保护搅拌探头。图1．3显示了几种不同搅拌头的轴肩形状。◎@o@◎图卜3几种不同搅拌头的轴肩形状轴肩的直径与搅拌探头的根部直径密切相关，一般取搅拌探头根部直径的2．6～2．8倍。1．3．2搅拌头上的热生成研究目前有关搅拌摩擦焊热过程的研究已经有了很大的进步，且主要集中在搅拌头上热生成。搅拌头作为搅拌摩擦焊的关键，优化设计的搅拌头是搅拌摩擦焊获得高质量接头的前提。其几何形状和尺寸不仅决定着焊接过程热输入的方式，还影响着焊接过程中搅拌头附近软化区金属的流动形式。搅拌头的轴肩部位是生成摩擦热的主要来源，且在形状上有典型的凹入．用以形成封闭的焊接环境阻止塑性软化金属从轴肩溢出。在横穿薄板中，搅拌针也起着重要的作用。一般认为由搅拌针生成的热比由轴肩生成的热小得多，但是，由于剪切作用和材料流动的强烈区域一般作用在搅拌针周围的工件材料上，随后再重新固化。因此，为了完全理解搅拌摩擦焊接过程，搅拌头和工件上的热输入都应该被仔细的考虑。关于搅拌摩擦焊搅拌头热分析的第一批研究者是Russell和Shercliff。基于Rosenthal等式的分析模型，可以预测热生成量和计算大致的表面接触温度。采用一维热传导来决定搅拌头的热流量，并且假定进入搅拌头的热量是总的焊接能量的17％。随后一些研究者利用数字技术通过减少工件的热输入来计算搅拌头的能量输入。表1．1列出了相关搅拌摩擦焊搅拌头的热分析研究的概况。一些研究者通过综合各自的研究工作来对进入搅拌头的一部分热进行进一步的研究。Chao等人利用在搅拌头和工件上的试验温度测量结合处上两个分离的数字模型来研究在每两个不同流速下的热输出。在实验中采用了包含一个轴对 第一章绪论称的搅拌头模型的数字模型，但是没有搅拌针和单独的工件模型。Dickerson等人也是用数字搅拌头模型界和实验测量法来研究搅拌摩擦焊搅拌头的热输入的瞬时现象和稳定状态。定位在工件上表面的热电偶被焊在上面并且纪录的温度假定为接触面的温度。焊缝总的能量输出也由试验转拒测量法计算。搅拌头的数字模型被建立，包括搅拌头，支持架和机械并且搅拌头上的热输入被认为是一个常温边界状态，与假定的接触面温度相等，使用这样的模型大约在稳定状态下有10％进入搅拌头。表1-1有关搅拌摩擦焊搅拌头的热分析研究概况研究者假设条件及研究结果Schmidt规定进入搅拌头的能量是总机械能的25％，进入工件的能量为75％HettelShiSimarColegroveSongKovacevieLangerm，KvalvikSiedel，ReynoldsChenKovacevicAskari强制规定了进入搅拌头的热量，同时不断调整这个值直到计算结果与实验数据达到一致以Schmide的研究为起点，取消了对搅拌头热输入量的强制规定，通过调节焊缝轴肩上的两个轴向位置使得流过搅拌头的热流量大致是总的机械能量输入的5％对搅拌头和工件进行建模并且在搅拌头上边界位置应用一个常温度边界来计算进入搅拌头和机械的能量在他们最初工件热过程的研究中也考虑了进入搅拌头的热，工件热过程包括插入，横穿和在焊接过程中的材料的榨出等。他们随后对模型进行改进使其包含连接搅拌头和工件的热模型，利用从搅拌头的顶部和边缘到进入搅拌头和机械中的热达到热对流传递。模拟了搅拌探头周围的二维流量模拟了轴肩上的热传导而忽略了搅拌探头，并且利用它作为一个物质的存在去预测工件上的残余应力分配。然而，热生成是呈线性变化的，放射性位置被应用在搅拌头下面的工件表面，但是进入搅拌头的能量不能被计算。将搅拌头的位置作为一个在他们模型中的严格的主要部分，包含一个由线状图案装饰的搅拌探头。尽管有搅拌头温度的预测但是没有关于搅拌头温度的讨论或搅拌头热输入的给定。．6． 第一章绪论随着搅拌头的设计与优化、搅拌摩擦焊工艺装备研制、搅拌摩擦焊过程热力耦合分析，各种典型轻合金材料搅拌摩擦焊工艺参数的优化及接头性能的评定等方面研究工作的深入，搅拌摩擦焊工艺必将不断完善，其应用将会更加广泛。1．3．3工件上热生成的研究在预测工件温度的过程中首先应该采用的是解析建模的方法。Stewart等人使用两个解析模型分析焊接应力，转拒，和最大的工件温度，并将它的结果与第一个实验数据进行对比。采用相似的方法，Gould和Feng根据Rosenthal等式描述的移动热源的三维解析模型来预测工件温度。热输入是加工操作过程中参数运行的函数，且作为在工件上带有与典型搅拌头半径相等的循环运用在模型中。虽然结果与实验数据不相等，可是模型的修正与由麦克卢尔McClure等人设计的焊接试验有关，可用来对工件温度进行充分的预测。最近Heurtier等人也采用解析模型预测工件温度，采用后来修改的模型为数字模式增加了预测精度。搅拌摩擦焊的数字分析在工件温度分配上已经取得了一些令人满意的结果。Chao和Qi最先进行了集中在工件上的温度研究，他们认为在工件上表面的一个移动的循环热流量区域与搅拌头生成热的散射位置模拟成比例。焊缝处的热输入和工件底部的热传输经过反复调整直到预测的工件温度与实验得到的温度相等。随后，Khandkar和Khan在搅拌摩擦焊搭接接头的数字模型中采用了相似的方法，但是只有来自于工件的热传递被反复修正，搅拌探头附近包含其他的热生成。总的热输入是程序变量的函数。Khandkar等人和Reynold等人也通过反复修正工件上的热传输来研究工件上的温度分配，但总的热输入变量则是从扭转试验测量方法中得到。工具头的轮廓也在相应轴肩的工件上表面和相应的销钉的两边和底部的工件上应用的热输入被保持。这种热流量随位置呈线性变化。在一个特别的类型上，Frigaard[12】等人在他的有限差分模型中运用了数字方法过去常常用于预测搅拌摩擦焊的瞬时物理变化。总的热输入——有运行变量和工具几何学计算得到，被分成无数个正方网格点大致分布在工具头的轴肩和销钉部位。这种测定提及的来源在工具头横穿每一步移动模拟中形成。能量输入被定期修正以至于预测工件的温度并不会超过工件材料的特定熔化点【13】。1．3．4搅拌摩擦焊热过程的研究进展早期的模型分析的主要针对薄板焊接中的热过程，且大多数研究这对于焊接热源所建立的模型主要考虑了轴肩与工件之间的摩擦产热，而忽略了焊接过程中的塑性变形产热。这对于焊接焊接铝合金和镁合金等有色金属合金时，由于材料本身的热传导系数大而得到较为精确的模型。焊接过程中热量可以很好地向工件 第一章绪论周边和厚度方向传热，以保证焊缝底部有足够的热量形成良好的焊缝。上海交大汪建华教授采用经典摩擦学原理对FSW的温度场建立了数学模型，在其模型中就只考虑了轴肩的摩擦产热，没有考虑搅拌针的摩擦和材料的塑性变形热。南昌航空工业学院的张彦富等人运用粘着摩擦理论，并考虑恶劣搅拌针摩擦产热而建立了数学模型【l41。Chao和Qi在1998年发表的论文中描述了一个三位热传递模型，假定搅拌头轴肩／-I-件接触面之间的热流输入为常数，不断调节试验和误差，直到计算的热输入温度与测量值相等。Frigaard、Grong、Midling发展的搅拌摩擦焊工艺模型，假定摩擦热是搅拌头轴肩上的热输入，在焊接过程中摩擦系数或计算得到的温度不断调整来保持材料上焊接点的温度。Zahedul等使用了移动的轴肩热源的输入。Bendzsak等应用计算动力流体的方法建立传热和材料流动模型，材料被认为非牛顿性流体。McClure运用Rosenthal方程建立了三维准稳态温度场的数学模型，用Romberg方程计算出结果，对传热过程进行了初步的分析，认为最高温度在轴肩的圆周上出现。Song等提出了新的传热方程，整个焊接过程产热由两方面组成：搅拌针产热和轴肩产热。但是，针对较厚板焊接的热传导建模中，仅仅考虑轴肩产热，热输入就显得不足，很难得到满意的模型；另外不同焊接参数对应的塑性变形产热占总热源比例也是不同的，所以要得到较为精确的模型．就必须将塑性变形产热计人总热输入。比利时的Vuyst／15】等人运用有限元遗传运算法则并通过“试错法"结合实验测得的热量输入和边界条件建立的温度场模型，包含了搅拌探头插入预热、焊接和抽出冷却三个阶段：由实验得到的扭矩计算得到总的热量输入，而假设轴肩和搅拌针的热输入分别占总热输入的75％和25％，且搅拌针的热输入为搅拌产热，包含了摩擦和搅拌引起的塑性变形产热；对于焊件与支撑板间的传导系数是通过回归的方法确定了其与温度的关系。Smith等人用实验的方法决定了粘性作为温度和剪切率的公式。他们认为焊接中的各种分配是热生成源，摩擦作用在生成热中不是最主要的。丹麦的Schmidtll6】等人在热源的确定上，认为FSW中的产热是由摩擦和塑性变形两部分组成的：在搅拌针开始的预热阶段主要热源是滑动摩擦产生的，而随着温度的升高，在搅拌针行进过程中主要是粘着摩擦和塑性变形产热。法国的ChristopheGallais等用“试错法"对6000系列的铝合金搅拌摩擦焊建立温度场模型，它们将搅拌针去除，得到没有搅拌针时的热量输入是有搅拌针时的82．6％，即搅拌针的热输入占17．4％。再结合不同焊接参数得到正确的工件与支撑板的热传导系数，完成模型的建立【171。Fourment等运用黏弹性材料理论研究了塑性变形产热，并结合轴肩和搅拌针摩擦产热建立了模型【18】。在上述所有的研究中，热源的形式大多只是被简化为点热源，线热源或者是面热源。很明显这与实际的焊接过程是不符的，因此在模拟研究中就会出现较大 第一章绪论的误差。根据这个原因，Gould和Feng利用Rosenthal使用恒速下的移动热源分析传导模型来预测半稳态的温度场。现在可以利用ANSYS有限元分析程序建立随热源一起移动的坐标系，采用分步加载的方法对搅拌摩擦焊过程的温度场进行了模拟。1．4异种板焊接的发展119,201异种金属焊接能够充分利用各种材料的优异性能，如强度、比强度、耐腐蚀性、耐磨性、导电性、导热性等，因而在工程机械、交通运输、石油化工、电站锅炉、航空航天和机械电子等行业的机械设备和构件中得到广泛应用。例如：在港口机械中，基于结构轻型化的需要，常常将大型金属构件或者在某些重要部位选用合金钢材料；这样就形成各种类型的异种金属之间的焊接结构。异种金属之间的焊接主要是指化学成分、显微组织、物理、化学和机械性能相差较大的两种金属之问的连接。金属材料在焊接时要经受加热、熔化、化学反应、结晶、冷却、固态相变等一系列复杂的过程，这些过程又都是在温度、化学成分及应力极不平衡的条件下发生的，有时可能在焊接区造成缺陷或者使金属的性能下降而不能满足使用要求，因而，金属本身的物理性能、化学性能和力学性能都己不足以直接说明它在焊接时可能出现什么问题或焊接后能否满足使用要求。同种金属之间当然可以形成优质的焊接接头，但是异种金属之间的焊接要复杂得多。异种金属之间的焊接困难主要表现在，对于大多数异种金属组合来说，两种材料之问的熔点、密度、导热性、热膨胀性、晶体学特征、机械性能等相差较大。异种金属焊接有～下的必要性和优越性：(1)不同运行温度、腐蚀和氧化环境采用不同的材料，导致异种金属焊接；(2)在化工行业中为了提供压力容器的使用寿命，在普通的低合金耐热钢容器内侧，熔敷一层能耐强腐蚀和高温的高合金钢，导致异种钢焊接；(3)为了提高表面强度和耐磨性，在普通钢材表面堆焊一层高强耐磨合金，导致异种金属焊接；(4)为了免除焊后热处理工艺；(5)补焊；(6)为了减轻机械承载结构的重量，往往在局部受力较大部位采用高合金钢，导致异种金属焊接。异种钢及异种金属焊接虽然能带来便利和经济效益，但是由异种金属的可焊性分析可知，异种金属因化学成分、物理和化学性能的明显不同，当将它们焊接 第一章绪论在一起时，必定产生一个性能和组织与焊缝金属、母材不同的熔合区，因而大多数异种金属焊接时，经常会遇到如下问题：(1)两种金属之间不能形成合金；(2)焊接过程中金相组织的变化或产生新的组织而使接头的性能变差；(3)熔合区及热影响区的机械性能降低，特别是塑性；(4)由于两种金属之间的热膨胀系数不同而引起热应力集中，并且这种热应力不能被消除；(5)因塑性变形差和应力增加往往容易引起裂纹；(6)室温下，焊接区的机械性能(拉伸、冲击、弯曲等)一般优于被焊母材的性能，但高温下或高温长期运行后，接头区的性能劣于母材；(7)在奥氏体钢焊缝与珠光体钢母材之间存在一个马氏体组织熔合区，该区韧性较低，是一个高硬度脆性层，是导致构件失效破坏的薄弱区，它会降低焊接结构的使用可靠性；(8)焊后热处理或高温运行过程中，在焊接边界两侧各产生～个富碳区和贫碳区，改变了熔合区的性能，是裂纹起源于焊接边界的主要原因之一；(9)失效与时间、温度和交变应力条件有关。铝基复合材料(aluminum．basedmetalmatrixcomposite，MMC)在高比强、高弹性模量和高耐磨性等方面具有独特的优越性，在汽车和航空航天等领域应用前景十分广阔。摩擦焊接时，金属铝并不熔化，只是受摩擦的局部金属被很快地加热和冷却，金属间地相互扩散速度不高，甚至可能来不及扩散之前就已经冷却了。因此，铝与钢之间不易形成金属间化合物，即使形成了一些金属间化合物，在较大地压力作用下，也可能会从对接处被挤出去。所以说，摩擦焊接时，接头不易产生脆性。但在焊后机械加工或使用过程中，温度超过某一极限时，由于活化了对接过渡区地扩散过程，可能使接头脆化。铝与钢摩擦焊接地研究一直受到人们地关注。S．Elliott和E-R．Wallach曾在1981年写过一篇综述性文章，肯定了铝与钢摩擦焊接中主要问题是产生金属间化合物，并讨论了焊后回火处理、合金元素和工艺参数等对金属间化合物地产生和长大地影响，认为lum是金属间化合物地厚度临界值，小于此值能增加接头地结合强度，大于此值则强度降低；还认为金属问化合物在接头界面处的分布是不均匀的，半半径处最宽，中心和边缘处最小，可以忽略。I．A．Chernenko等人对铝与不锈钢摩擦焊接界面区的温度分布特征进行了测试，发现在摩擦的初始阶段，半半径处的温度最高，边缘处次之，中心处最低，终止阶段时，三者温度趋于一致。近年来随着新材料的不断涌现，铝基复合材料的研究与开发已逐渐趋于成熟。 第一章绪论1．5本文的研究内容基于搅拌摩擦焊热过程研究的现状和意义，本文主要针对不同材料、不同板厚的铝合金进行搅拌摩擦焊接工艺的设计，有针对性地采用优化合理地焊接条件，得到高性能的搅拌摩擦焊接接头，并且通过观察接头的晶相组织来检测焊接接头的质量。同时还对不同铝合金之间和铝基合金与钢之间异种金属的搅拌摩擦焊的热场进行数值模拟研究，获得接头不同区域的瞬态温度场，了解焊缝及其热影响区的温度场分布规律，为以后实际工业中异种板的焊接提供了理论的依据。本文主要从以下三个方面提出了有关搅拌摩擦焊热过程的模拟分析研究的内容。1．结合现有的国内外有关搅拌摩擦焊中热过程的分析模型，提出更加附合实际焊接情况的热模型。其中总结提出三种不同的接触条件，定义出本文独特的边界条件，更加清晰的描述了搅拌摩擦焊热模型的特点。2．分析研究不同铝合金搅拌摩擦焊中温度场的分布情况。其中着重从LYl2和7075两种薄板铝合金和LDl0厚板铝合金的搅拌摩擦焊热过程进行分析研究。在模拟分析薄板铝合金搅拌摩擦焊温度场分布的过程中，进行摩擦系数在焊接过程中不变和变化的两种焊接过程数值模拟。同时，在7075薄板铝合金和LDl0厚板铝合金的温度场分析中，结合实际焊接接头的组织结构来验证模拟分析的准确性和可行性。3．首次采用搅拌摩擦焊焊接异种材料，研究分析两种异种材料的搅拌摩擦焊的温度场分布和特点。一种为LYl2和6061一T6两种铝合金之间的搅拌摩擦焊，根据不同位置上的节点温度分布来分析异种铝合金焊接的可行性；另一种为铝基合金和钢材之间的搅拌摩擦焊，提出四种不同的搅拌头焊接位置，并且对比实际焊接接头的形状和不同材料的组织性能来验证其准确性。 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立搅拌摩擦焊过程中，输入热量的大小和分布直接影响到焊接质量。热输入主要来自于3个方面：(1)轴肩与焊接材料表面的摩擦热；(2)搅拌针与焊件接触面处的摩擦热；(3)搅拌针附近焊缝金属的塑性变形热。实验中发现，若焊接参数选择不当，会造成焊接过程中的热输入不合理，将直接影响到焊缝的表面形貌和力学性能。所以，研究搅拌摩擦焊接过程中温度场的变化规律对研究焊缝金属流动、分析焊接应力及变形、深入了解搅拌摩擦焊机理、制定合理焊接工艺具有十分重要的现实意义【21】。搅拌摩擦焊的运行包括四个步骤，每个步骤都可以用搅拌头与工件之间相互作用的时问段来描述。首先是搅拌头垂直旋入工件接合处，在这一过程中搅拌头是旋转的，因此这一过程为搅拌头的旋入阶段。在此之前应该有一段停顿的时间，用来调节搅拌头的位置。在旋入过程中，搅拌头和工件之间通过摩擦作用和材料的变形产生热量，这些热向周围的材料传递，使温度不断升高从而达到材料的软化。在这两个阶段之后，搅拌头沿着焊缝位置的接合处移动，即为焊接过程。在焊接参数如旋转速度、顶锻压力、旋入深度等影响下，焊接速度在1～10mmJ-1的范围内变化。焊接一段距离之后，搅拌头旋出工件留下“匙孔”作为搅拌头的足迹，这就是最后的冷却过程【221。2．1搅拌摩擦焊热过程的计算2．1．1热过程计算的接触条件【231在焊接过程中，接触条件是数值模型中最重要的一部分。在以前论文中，摩擦库伦定理只是用来描述搅拌头表面和工件之间的剪切力。一般来说，摩擦库伦定理中的接触剪切力为2'frictio，，2∥p(2—1)式中，∥为摩擦系数；P是接触压力(N)。‘库伦定理的标准表达是基于刚性接触条件，但是搅拌摩擦焊中的摩擦接触条件并不是完全基于刚性接触条件的，内部应力在热模型中是不充分表达的。下面 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立就是定义的三种接触状态。粘性条件：如果摩擦剪切应力超过工件的屈服剪切应力，工件表面与移动的搅拌头表面存在粘流作用。在这种条件下，搅拌头表面附近的网格化分应该较密集，密集程度直到接触剪切应力和各单元内部剪切应力之间达到一种平衡。根据传统的库伦摩擦定理，静态的摩擦系数与表面的抗压应力有关。滑动条件：如果接触剪切应力小于单元内部屈服剪切应力，在剪切应力等于动态接触剪切应力的时候，单元体积剪切应力会有稳定的弹性变形。部分粘性／滑动条件：这是处于粘流和滑动之间的稳定状态。在这种条件下，工件的速度小于搅拌头表面的速度且为稳态。由于准稳态塑性变形的影响，在动态接触剪切应力等于单元内部的屈服剪切应力的时候会建立一个平衡状态。在模型中动态和稳态摩擦系数之间不存在区别。定义一个接触稳态变量艿，它是与工件表面接触点有关的速度与搅拌头接触点的比值。参数是一个无量钢的滑动速率，可定义为万：生丝：1一上‰jq砌y2u‰l—u，，ldr疵(2-2)(2-3)式中，7是滑动速率(m／see)；‰J是wr上搅拌头速度(m／see)。表2．1显示了不同接触条件之间的关系。可以看出，万是作为单元内部接触条件的稳态参数。在搅拌摩擦焊中接触面上的接触状态在以前Colegrovet241和Reynolds[251的论文中描述过。他们建立的模型来预测模型中接触条件作为边界条件时的热生成和材料流动，结果与实验得到的数据进行比较。表2-l接触条件、速度／剪切应力之间的关系和状态变量的定义2．1．2热过程计算的判断标准根据上面三种不同的接触条件，就有三种不同的解析判断标准，它们都是根 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立据一般接触剪切应力和特殊剪切应力来假定的。第一个判断标准假定为粘性接触条件(8=1)；第二个判断标准假定为库伦摩擦系数表达的纯滑动接触条件(万=O)。在粘性条件下剪切发生在靠近表面的层上，滑动条件下发生在接触表面上。这两种类型是在剪切应力‰已知的条件下定义的。而在部分粘性／滑动条件下采用第三种判断标准。Q，lJQ2l【。．一，Q3B椭e；图2．1解析模型中的热生成分布在焊接过程中，热生成是靠近接触表面的，这里为了解析判断，可以简化搅拌头的设计为水平轴肩表面，垂直圆柱搅拌针侧表面和水平搅拌针端面。图2．1显示了简化的搅拌头设计，其中Q1是搅拌头轴肩下的热生成，Q，搅拌针侧面的热生成，Q3搅拌针端面的热生成。因此总的热生成纰，=Ql十Q2+Q。而检查表面一般为垂直或水平，表面方位在实验中设计为与旋转轴有关。每个表面方位的计算公式是不同的，但是都是基于热生成的计算公式：aQ=国别=cordF=缈，乞删以(2-4)2．1．3热生成的表面方向上述是根据旋转搅拌头和稳态焊接工件单元之间接触表面的热生成得到的解析判断。不考虑焊接移动的机械能量，在数值上忽略旋转力的作用。搅拌头与单元接触的表面是根据他的位置和方向来定义的，与搅拌头旋转轴有关。如果搅拌头旋转轴是垂直的(延Z轴方向)，平行轴肩表面可能是水平的，而搅拌针圆柱表面是垂直的，如图2—2所示。．下面的描述用于定义表面的方位：一=水平(垂直旋转轴，圆形表面)；I=垂直(平行旋转轴，圆柱表面)； 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立(a)水平(从上面看)(b)垂直图2-2表面方位和数量分割面积的示意性图形水平：为了计算从水平搅拌头表面旋转到中心轴位置的热生成，需要定义表面上的数量分割。数量分割面积dA一=以口办超过了一般接触剪切应力‰栅，。这个分割与作用力卵一=‰删姒一和扭矩dM一=胛一有关。分割面的热生成为姆一=rdOdF一=(or2吃。幻．dOdr(2-5)式中，R是距离旋转中心的研究面积的距离(m)；W是角速度(弧度／分钟)；rdO和咖是截面直径(m)。垂直：搅拌头上的圆柱表面，数量分割表面上的热生成面积为幽=dOdz蝈=cordFI=∞r2z'con删dOdz(2—6)式中，出是延旋转轴的截面长度(m)。2．2搅拌摩擦焊的热输入【26】本文所建立的搅拌摩擦焊热过程模型中首先假定搅拌头与工件的表面压力是均匀分布的，这样的话假定搅拌头压力为P1，其中假定搅拌头是圆柱形的，不存在锥角。如图2．3所示。而在实际的模拟搅拌摩擦焊热过程中，根据工件尺寸，搅拌头轴肩直径为2R=15ram，搅拌针直径为2r=6mm。则搅拌头与工件之间单位面积上的摩擦力为dF=互X∥×ds，摩擦力矩为dM=，×dF=27rPl×∥Xr2dr。搅拌头摩擦作用下与工件的摩擦加热功率为：Ⅳ=r棚×国=r等砌鼻xpxrZdr=筹×鼻彬捌(2-7)式中，缈为角速度(弧度／sec)；∞：穹罢；n为转速(rpm)。所得到的N为摩擦 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立热源作用，它的单位为W。但是在实际焊接中并不是所有的摩擦热功率都用于工件加热工作，会存在热损失，这样就引入了热效率q，因此搅拌摩擦焊中的热效率公式为：g=学(2—8)式中，五为铝合金的熔点(。C)；气为摩擦焊接时间(sec)；S为工件摩擦加热面积(m2)；欠是热导率(W／m·K)；c是比热容(J／Kg·K)。图2．3搅拌头的端面设计根据实际情况摩擦热功率N和热效率q在数值上相等的，和2．8可以得出摩擦系数的计算公式，即：2，=—二—4-=z=产,k：—4—5五0tlczPlnR因此由公式2．7(2．9)根据实际摩擦焊接中的焊接工艺参数的确定和对比可以由公式2-9确定出搅拌头与工件之间的摩擦系数。表2．2显示了纯铝摩擦焊接的规范。根据这些技术规范可以确定出不同条件下摩擦焊的摩擦系数，最后确定出一个摩擦系数的求值范围，即为o．24"--'0．30之间。在本文的温度场模拟中，除了摩擦系数随温度变化的情况之外，在焊接中选用的摩擦系数从这个范围中选择。 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立下面确定搅拌头不同位置与工件摩擦所产生的热功率。首先为搅拌针的热输入，在焊接过程中，搅拌针是插入到工件中的，那么除了搅拌针的端面之外还有侧面会和工件材料相互摩擦生热，这样为了简化模型，我们认为搅拌针是作为体热源来为工件材料提供热量的。那么搅拌针提供的热量为：％。=2玛2hor，。,国(2．10)而实际输入工件的热功率为：‰=急=名吾等(2-11)式中，吼是屈服应力(Pa)；n为转速(rpm)；，口为搅拌针的半径(m)。所得热功率单位W／m2。接着是搅拌头轴肩的热输入。在焊接过程中，搅拌头轴肩主要是与工件上表面接触生热，这样可以认为搅拌头轴肩是作为面热源为工件材料提供热量的。那么搅拌头轴肩提供的热功率为：q⋯。，：三乓nflR：竺竺丝(2—12)％m妇2石鬲2丽忆。1引式中，F为搅拌头压力(N)；n为转速(rpm)；∥为摩擦系数；R为轴肩半径(m)。所得热功率的单位W／m2。2．3搅拌摩擦焊的边界条件焊接的初始条件主要是焊接之前的温度，在本文模拟的过程中，都假定工件以及周围环境的温度To=20。C，这样在模拟过程中，工件与周围环境就有了温度差，从而使得工件在焊接过程中有热传导。上面已经假定在焊接中忽略热辐射， 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立这样的话，在温度场的模拟分析中所考虑的边界条件就为热传导和热对流。热传导边界条件只应用在搅拌头与工件接触的表面区域内。搅拌头轴肩与工件接触表面和搅拌针与工件接触的表面都存在换热的边界条件。搅拌头在焊接中所产生的热量主要提供给工件，使得工件温度上升达到塑性状态。但是实际上，搅拌头上固定在金属支架上的，那么搅拌头上的热量就不可避免地会通过金属支架流失一部分，但是在本文的温度场模拟中忽略这一部分的热量损失。热对流主要是工件与周围环境之间接触所损失的热量。在实际的焊接中主要有空气与工件下的支撑板。为了更加准确的模拟实际的焊接条件，在本次温度场模拟中，除了对称面上去绝热边界之外，工件上其他所有的面都存在对流换热边界。由于事先假定空气的温度为20oC，自然对流系数为Y=5：25W／m20C，那么取空气的热传导为30，而工件下的支撑板主要是铁或者是钢，他们的传导系数要比空气大得多，一般为，，=100：125W／m2nC，那么取支撑板上的热传导为100。这样图形2．4则表示了建立模型所假定的边界条件。射流渣界／岭_k二一-K。乏：二．I书，i’'。，‘轴肩输A的热流量≮誓：未：蠢⋯挝拌针输入的么量一图2．4工件模型的边界条件FSW中所涉及到的摩擦，界面处压力高，相对速度大，温度变化范围宽，无论是使用以上那种摩擦条件假设，要想得到FSW过程中摩擦界面处的摩擦应力的数值及其变化规律将是非常困难的。在本文下面的描述中，主要是针对两种情况进行分析，一种为摩擦系数在焊接过程中不发生变化，另一种情况为摩擦系数随着温度的升高而减小。2．4本章小结本章提出了较新的搅拌摩擦焊热模型建立的一些接触条件和边界条件等，详细介绍了搅拌摩擦焊接过程中热源模型的建立以及热功率的计算，在模拟过程-?，l，．∥∥k?界，边～巍一盎～一脯～／界～乏 第二章搅拌摩擦焊中热源模型的建立中，为了更加符合实际的焊接条件，采用动态坐标系统，令坐标系随着搅拌头的移动而移动，且移动速度为实际模拟中的焊接速度。同时本文假定搅拌头为圆柱形的几何尺寸，不考虑圆锥角所带来的影响，提出了在焊接中搅拌头不同位置所提供的热源方式，搅拌针为工件材料提供了体热源，而搅拌头轴肩为工件材料提供了面热源。 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究3．1LYl2薄板铝合金搅拌摩擦焊的温度场模拟分析3．1．1LYl2铝合金性能LYl2(2A12)是一种高强度硬铝，可进行热处理强化，在退火和刚淬火状态下塑性中等，电焊焊接良好，用气焊和氩弧焊时有形成晶间裂纹的倾向，在淬火和冷作硬化后的可切削性尚好，退火后可切削性低；抗蚀性不高，常采用阳极氧化处理与涂漆方法或表面加包铝层以提高其抗腐蚀能力。主要产品有板、箔、棒、线、管、型材，用作各种高载荷的零件和构件(但不包括冲压件和锻件)，如飞机上的骨架零件、蒙皮、隔框、翼肋、翼梁、铆钉等在1500C以下工作的零件【2鲫。表3-1LYl2铝合金的化学成分化学成分(质量分数)(％)牌号SiFeCuMnMgGrNiZnLYl2(2A12)0．53．8—3．90．30．0．91．2-1．8—0．100．30表3-2LYl2铝合金的物理参利29】温度参数250C1000C2000C3000C4000C密度n／(kgm。3)2780比热容C92192l104711301172导热系数形／(In．oC)121．8134．4151．2172．2176．43．1．2几何条件本文在模拟中建立的铝合金板尺寸为200mmx200mmx4ram，采用的焊接接头形式为对接。焊接过程中，移动热源沿焊接方向呈对称分布，因而在有限元分析过程只取其中一半进行分析。假设焊接过程没有热辐射散热，对称面处取绝热边界条件。使用ANSYS前处理器，直接生成实体模型。 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究3．1．3单元与网格单元类型决定了附加的自由度，因此在进行有限元分析时必须选择一个或多个合适的单元类型。在对FSW焊接过程温度场分布计算过程中，我们选择具有面单元三维传导能力的SOLD70单元。在对三维实体模型化分网格时，在焊缝及其附近区域采用加密的网格。这样既考虑到了焊缝处温度变化较大等因素，又能够在保持精度的同时减小计算量。图3．1显示了工件模型中的有限元网格。图3．1工件模型的有限单元网格3．1．4摩擦系数不变的情况下FSW的温度场模拟在模拟搅拌摩擦焊的温度场时，首先假定摩擦系数在焊接过程中是不变的，也就是在焊接过程中，摩擦力是一直不变的，由此得到的热场模型经过模拟焊接过程。图3．2为焊接过程中在t=20s、50s、lOOs、150s四个不同时刻LYl2铝合金搅拌摩擦焊接头上下表面的温度场分布情况，其中a组为焊缝上表面的温度分布，b组为焊缝下表面的温度分布。焊接过程中，搅拌头深入工件中，在工件上表面主要是搅拌头轴肩生热，而搅拌针旋入工件中生热。从图中可以看出，上表面的温度要高于下表面温度，这主要是因为搅拌头轴肩与工件摩擦所生成的热是搅拌头总生成热量的80％，而且轴肩与工件摩擦生成的面热源的范围要比搅拌针与工件摩擦生成的题热源要大得多。由图可知焊缝中心表面温度在450oC～5100C之间变化，焊接过程中最高温度是在4900C'～5000C范围内上下浮动。上表面的最高温度区域主要呈圆形，也就是轴肩面积的范围，而工件下表面的最高温度区域很小，主要是搅拌针端面面积的范围。 第j章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究矗-=，躅：≯骨=产冒：!：：■l。a(3-1)【===——]r∽。?_=：-区习黑=，币=≯丌==》眢=：_。．『薹；一～丐舅■_，，口=了而=百百=：丹．烹々’苘：≯t：-_百—书a(4-1】b(4吨)圈3-2LYl2锚合金搅拌摩擦焊接皿在4：同时刻的温度场分布图3-3(a)显示了温度场模拟中焊缝纵向的温度分布，从图中可以清楚的看出在焊接过程中(t=lOOs)焊核的温度范围是439oC～490。C，热机影响l曼的温度范围为387。C～439。C，热影响区的温度范围在336。C～387。C。图3-3(b)为实_一⋯l一一一．Ill一．!；|．1 第=章铝合金搅拌雌排焊的热过程目f究际焊接的4mm厚的LYl2_}}；；合金焊接截面的宏观图形。可以看出用ANSYS模拟的温度场分布与实际焊接情况是相符合的。，1■57．温度。C温度fa、(b)图3-3焊缝横截面上的温度场分布(t-100s)对问(：·c，温度温度时间(sec)(b)时间‘=ec，(d)幽3-4不同情况r的温度一时问曲线陶34显示了H；同情况下的不同节点上温度与时间的关系曲线。其中(a)沿 第三章铝合金搅{睾摩擦焊豹热过程研究辫缝方向工件上表面不溺节点的温度时间曲线，(b)沿焊缝方向王件下表面不同节点的温度时间龃线。对比两组图形可以看出曲线1的温度要高于其饱曲线的温度，这是因为曲线l所选的节点是搅拌头旋入工件之后开始焊接的起始点，由于这是搅拌头与工件属予干摩擦，所生成的热量距离在这个位置上，而其他节点是在焊接过程中任意选择的，由于搅拌头的移动，所以这垫位置上的温度较起焊点的温度要低lo。C左右。而在焊接过程中，上表蕊的温度要高于下表面的溢度，a图中的温度最高到达了500。C上下，雨b图中的最高温度只有450。C左右。(e)图是沿Y方向垂直于焊缝距离始焊点20ram工件下表瑟不同节点的温度时间曲线，图中从l到6是间距相同的不同节点的温度所时阅变化睡线，其中腩线l时焊缝位置上的温度分布。可以看出，距离焊缝越远，温度变化越小越缓慢。而距离焊缝越近，滠度下降魄越快。圈(d)显示了沿Z方向20mm焊缝截蘑上不同节点的温度时闽曲线。工件从上到下的温度逐渐减小，相差50。C左右。3．1．s摩擦系数随时闻变化的情况下FSW的温度场模拟在搅拌摩擦焊焊接过程中，材料随着湿度的升高不断软化，搅拌针在软化的材料中施行搅拌作用。但是随蓑材料的软化，搅拌头与材料之阀的摩擦作用也在发生着变化。在实际的焊接过程中，摩擦系数是不断减小的，直到最器材料达到塑性状态时，材料的摩擦系数降低为0。目前大多数的研究都是在假定摩擦系数不变的情况下遴行分析模拟的，这样所得到的温度场分布与实际的情况并不撩符。本小节参照实际的焊接情况，对于摩擦系数随温度变化的情况进行了分析。表34为实验测得的搅拌头与铝合金之间的摩擦系数在不同温度条件下的测量馕。表3-5湿示了嚣种螽件下的焊接参数。表3_4锱合会与搅拌头2_I'H-I摩擦系数隧温度变化情况[30j表3．5不同条件下的矮接参数参数旋转速度焊接速度预锻压力摩擦系数条件(fpm)(m／sec)(N)摩擦系数不变8000．001．80000。22摩擦系数变化1000O．00180000①注：①表示摩擦系数在不同温度下的数值，参照表3《。 第j章{}；合金搅拌摩擦焊的热过程研究图3-5为焊接过程叶1在t=20s、50s、100s、l50s四个小同时刻LYl2铝合金搅拌摩擦焊接头表面的温度场分布情况．其中a组为焊缝j表l舶的温度分布，b组为焊缝F表【m的温度分布。与焊接过程中摩擦系数小变的情况相同，从削中可以看出，上表面的温度要高J下表面温度，其叶1焊缝中心表面温度在460。c～520。c之问变化，焊接过程中最高温度是在510oC～5200C范围内1．下浮动。上表面的最岛温度区域主要生圆形。也就是轴肩面{|I!的范l刊，而【：件下表面的最高温度区域很小，主要是搅拌钳端硼咖秘的范嘲。与厨3-2进行对比可以看出，两种情况巾焊缝上表面的温度分布大致相同，但是下表面的温度分如有明屦的不同，i·要是艟高温度区域面机的不同。其中摩擦系数随温度变化的情况F，焊缝下表面的虽高抬矗度区域面积相对于摩擦系数不变的条件下焊缝F表面的最高温度区域面税要凡的多，这除了是困为所施加的焊接参数变化0l起之外．还有就是因为摩擦系数在材料达到颦性温度时变为0。图3-6对比了两种情况下不同方向上的热流』=小。其中a组为摩擦系数不变的情况不同力向上的热流人小．b组为摩擦系数随温度变化的情况下不同方向I：的热流大小。这里的热流即为热流密度．又称热通量，单位为w／m2。热流密度是一种面载荷，表示通过单位州积的热流率。当通过单位面积的热流率已知时，可在模型相应的外表面施加热流密度。若输入值为正，则表示热流流入啦儿，反之则表示热流流出单元。从图中可以看出摩擦系数小变的情况F．工件上热流的的输入和流出分布是很有规律的，晰且比较集中，而摩擦系数随温度变化的情况F【件上热流的输入和流出分布就r分混乱，而上L比较分散。这是凶为在焊接过稃中，摩擦系数随着温度的升高向逐渐降低，由j：焊接过程叶1工件上的温度是瞬时变化的．如此以来下件上不同位簧上在不同的时间巾它的温度不断变化，由此摩擦系数也会呈现曲线变化．这样就使得材料上不同I『寸宴0不同位置上的热传导和热对流等边界条件不新变化，从而使得热流分布r分分散。l曼!嚣竺篓懋鬟黧鬟；!羔二。{|!篓=篓篓笺竺篓篓i燮蔓。b(1—2) 第一章铝合盘揽j十摩捧F一。的热过稃研究a(^I)b“2)图34摩擦系数随温度变化条件T4；州时刻的温度场分布嚆_?唧鼍筹钟”：“≮z“=‘帮。、．ax≮一 笫=辛斜台金搅拌摩擦f一’f『』热过科研宄I⋯．^NI蔓～曼0§一恻36两种情|兄F不同方向上的热流大小图3—7足沿焊缝方向上小同位置L工什l。F柱面州成节点的温度分布『『l『线。附中选择的a，b，c和d4个位置分刖是搅拌摩擦焊接时M在25s．75S，125s和150s时焊缝上的温度分布。其中A代表丁这4个化谖I。件上表面的温度，’÷Jff]的最高温度人致为5】7。C^打，而下表面的最高温度人致为480。C，比}：农Ⅲ低40。C上下。 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究温“‘度“。oC‘：一：榉私j÷#：：鼻∞≈，∥{坼：々口#0：{o；#’，￡叠；时间(=e毒r图3．7沿x方向焊缝不同位置上上下表面的温度分布图3—8则显示了沿v轴方向上距离焊缝不同问距位置上的节点温度曲线。其中(a)是工件上表面垂直于焊缝位置的节点温度分布曲线，(b)是工件下表面垂直于焊缝位置的对应节点温度分布曲线。对比两图可以得出，除了所达到的最高温度相差40oC以外，温度分布的变化趋势是相同的。这也可以认为工件上下表面在焊接过程中所经历的温度变化是相似的。同时可以看出不同位置上达到最高温度的时间有所不同，距离焊缝越近达到温度最高值的时间越短，这主要是因为焊缝达到最高值以后，随着搅拌头的移动，温度逐渐降低，而其他位置则由于热传导和热对流等边界条件的影响逐渐达到最高温度。温度oC；j：：：●：：j×琳；n；；■≠≮5托o，时间(5ec)温度oC爷i缸tj巧‘科时间‘$⋯ec，(a)Co)图3-8沿Y方向垂直焊缝不同位置上的温度分布 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究3．27075铝合金FSW温度场模拟3．2．17075铝合金的性能7075高强铝合金是常温下强度最高的铝合金，主要合金元素为锌，具有良好的机械性能及阳极反应，固溶处理后塑性好，热处理强化效果好，在1500C以下有良好的强度，焊接性能差，有应力腐蚀开裂倾向。铝合金7075主要用于制造飞机结构及其他要求强度高、抗腐蚀性能的高应力结构件，如飞机上下翼面壁板、飞机零部件、导弹零件等航空航天及国防领域，还广泛应用于模具加工、机械设备、工装夹具。以及运动器材。表3-6显示了7075铝合金的化学成分。表3—7显示了7075铝合金的物理参数。表3-67075铝合金的化学成分牌号化学成分(质量分数)(％)表3．77075铝合金的物理参数温度参数25oC1000C2000C3000C4000C密度n／(kg．m‘3)2700比热容C945102810781133导热系数W／(m．oC)1621771922072233．2．2摩擦系数不变的情况下FSW焊接温度场模拟7075铝合金的搅拌摩擦焊温度场模拟也分为两种情况来分析，其中一种就是假定在焊接过程中，摩擦系数是不变的。这样在ANSYS中模拟得出的温度场分布如图3-9所示。图中主要显示了工件上表面不同时刻的温度场分布。 第二章锚台金搅拌摩擦埠的热过程研究『一扩■一t-50sF75s圈3-9摩擦系数不变情况下工件上表面不I司时刻的溢度场分布根据一定的焊接参数所得到的7075薄板铝合金搅拌摩擦焊温度场分析t7075铝合金焊接接头中最高温度达到5000C。而根据吲3-IO(a)所显示的焊缝纵向截而温度场分布町以找出接头不同区域的温度范围。例如焊核区域的温度在430。C～500。C范围内变化．热机影响区的温度在380。C～430。c范围内变化．热影响区的温度在3300C～380oC。而且对比实际焊接的7075薄板铝合金的接头彤式，如罔3．10(b)，验证了它的准确性。嘲寰：，而=}醑=丁宁=：?j’-_。(a)(b)图3-10(a)焊缝横截面的温度分布(b)实际焊接样品的接头截Ⅲ一。曼i一一盛目揩璺m．__■蓝 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究图3．11则显示了沿焊缝方向上不同位置工件上下表面的温度时间曲线。图中可以看出A，B，C，D和E五组曲线分别是距离工件始焊边不同距离位置上的上下表面的温度分布，其中上表面的温度要高于下表面的温度，大致为400C左右。而且温度曲线也说明了焊缝上表面的最高温度在4800C以上，这是附合搅拌摩擦焊实际焊接原理的。焊接的最高温度达到材料的塑性温度，也就是材料熔点的80％'---90％。幸9摹●，套，●时间($eC)图3．11焊缝方向上不同位置上下表面的温度时问曲线3．2．3摩擦系数变化的情况下FSW焊接温度场模拟7075薄板铝合金的搅拌摩擦焊与LYl2的焊接是相似的，实际的焊接情况中，搅拌头与工件的摩擦作用力应该是不断变化的，也就是摩擦系数会随着温度的升高而降低。上面对摩擦系数不变的情况进行的温度场分析虽然与实际焊接情况有些许不同，但是它的温度分布是正确的。综合两种情况焊接条件，表3．8显示了不同焊接条件下的焊接工艺参数。表3．87075铝合金不同条件下的焊接参数参数旋转速度焊接速度顶锻压力条件摩擦系数(rpm)Ordsec)fN)摩擦系数不变8000．00190000．25摩擦系数变化1000O．00195000①注：①表示摩擦系数在不同温度下的数值，参照表3-4。Ⅲ伽似Ⅲ撕椭撕㈨抑柏。温度以 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究结合表3．5中LYl2铝合金的焊接工艺参数，可以看出摩擦系数不变的条件下旋转速度和轴肩顶锻压力要比摩擦系数随温度变化的条件下的旋转速度和轴肩顶锻压力小的多，尤其是顶锻压力，相差10倍左右。这是因为在摩擦系数变化的情况下，如果压力过小就不会产生足够的摩擦热，也就不会使得材料达到塑性温度。图3．12焊缝表面距离焊缝中心不同位置处的温度分布为了研究焊缝不同区域的温度变化情况，在7075铝合金搅拌摩擦焊接过程中，选取垂直与焊接方向上距离焊接中心不同位置的温度作为讨论对象，如图3．12所示。从图中可以看出在焊接温度场趋于稳态时焊缝中心的温度在480oC--50qoC范围内变化，焊核与母材之间的热影响区的温度在335℃"一385℃范围内焚化，这～温度变化范围使热影响区的强化相组织不会熔解而只是在焊接过程中伴随有晶粒长大过程。本实验模拟结果与实际焊接温度范围基本吻合。在搅拌摩擦焊接过程中，焊缝中心表面由于与轴肩圆环面摩擦接触产生焊接热，由前面的计算分析可知道，搅拌摩擦焊热输入的72．8％来自于轴肩，而搅拌针的菸．．：：『入只占总热输入的27％左右，这就造成了焊缝深度方向上的温度场分布不均匀。～般来说焊缝中心深度方向的温度场梯度较大，而在进行稳态后焊缝表面与底面的温差略有减小，焊缝表面最高温度增加且基本不再变化。造成焊缝表面和底面温差的主要是由于搅拌头在深度方向上的热输入不均匀，在靠近焊缝表面的地方接蛋大部分的热量，与轴肩接触的材料在吸收这部分热量的同时通过热对泸●i，。0蒯围材料传递热量；而在焊缝其他部位的材料在接受搅拌头的热输入的同时接受来自上面材料所传递的热量。在实际焊接过程中，焊缝表面与底面的 第一争锅台余搅拌摩擦焊的热过程研究温差将会更大，这L婪是凶为在搅拌胯擦焊接过程叶1焊件底m毕扳充、甲冷却池”的作用，起始时由于垫板与焊件底部温荠较大，故冷却做应疆著。随着热传导的继续，热板温度j．升，4＆扳的冷却效应钉所降低。3．2．47075焊接接头组织性能⋯7075钳台金材料足山K条状目l织组成的，如刚3I{(d)。焊饮K最鲍型的特征是它m系列细小的等轴冉结晶颗粒柑构成，这是山于在蝌接过程中．条状的(a)(b)阿3137075铝合金搅拌摩擦焊接头微舰组织(a)热机影响区(h)热影响区(c)#{核区(d)母材强化相a：焊接过程中随着温度的升岛，部分强化干H组织熔化后进入基体中．熔点较高的强化相n揽拌头的搅动下金相组织被打碎后发，F再结晶的缘故。焊核内台相组织的重结晶和强化相的冉分散表明焊接过程t|·湍度超过了部分强化相的熔点但低干线材金属的熔点。研究表明，焊接}『t焊核温度在450～4900c左冉。值得注意的是，在焊核旺由焊接表面到根部，晶粒尺、J逐渐减小。这是由于焊接表lII『直接与搅拌臂接触，我们知道搅拌摩擦焊热输入的人部分来自于搅拌头轴肩，这 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究样焊核表面由于高温的作用在发生再结晶的过程中就伴随一定的晶粒长大过程，同时我们知道在搅拌摩擦焊过程中，焊件被坚固于--[习wj性的夹持平台上，焊件底部直接与平台上金属垫板接触，由于金属垫板温度比焊件底，这样自然的充当了一冷却池的作用，根部软化状金属迅速冷却，造成再结晶颗粒细小而不会发生晶粒长大现象，如图3-13(c)。在焊核与母材之间有一过渡区，在这一过渡区中，母材条状的特征被高度扭曲，形成一中高度变形的弧形条状汇合于焊核，研究表明这一区域没有发生与焊核区内类似的再结晶过程。在焊核最边缘高度变形的区域为热机影响区如图3-13(a)，这一区域在焊接过程中温度仅于焊核，在搅拌头的旋转摩擦作用下，部分强化相发生熔化并伴随有晶粒长大的过程；紧邻热机影响区的为焊接热影响区，如图3-13(b)，这一区域的组织形态与母材相似，只是在焊接过程中随着温度的升高而伴随有晶粒的长大。3．3厚板铝合金FSW温度场分析3．3．1LDl0铝合金的性能本论文选用模拟的厚板铝合金为LDl0(2A14)。LDl0可以很好地进行锻造，称之为锻铝。其特性为强度高，热强性好。合金在锻造后在进行热处理，经淬火后，无论是自然时效还是人工时效，都可使之强化。合金中由于含铜量不一样，致使性能也不一样，强度可达500MPa，但热态下地塑性则有所降低，合金还具有良好地切削性，用于制造承受高负荷和形状简单地锻件和模锻件。表3．7显示了LDl0的化学成分。表3．8显示了LDl0的物理性能。表3．7LDl0的化学成分牌号化学成分(质量分数)(％)墨i旦堡竖垒生望垒!g堡!盟i兰坠LDl0(2A14)0．6．1．2O．73．9．4．80．4．1．00．4．0．8—0．10．3表3-8LDl0热物理性斟31】温度参数25oC1000C2000C3000C4000C密度p／(kg．m。3)2820比热容C895960967980导热系数W／(m．oC)162177192207220 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究3．3．2有限元分析模拟分析中选用的厚扳LDl0铅含金的尺q为200ram×200ram×6mm，与上面的薄板焊接相似，在进行热过程模拟时选择模型的半来分析，单元网格化分也丰H同。对厚板进行热场模拟过程中．假设摩擦系数在焊接过程中保持小变。这样由于LDlo的熔点为608。C．存旋转速度为1000rpm，焊接速度00015m／see，轴肩压力9000N的焊接条件F所得到的温度场附台实际的焊接工艺。最高温度达到了熔点的80％～90％。图3一14为不同时刻LDl0厚板铝合金板卜下表面的温度场分布。图3-15为LDl0厚板铝台金搅拌摩擦焊焊缝横截面t的温度分布与实际焊接宏观焊缝的对比。从图3-15(a)中可以清楚的看出，厚板的焊缝成形与薄板有显著的不涮，由于板材较厚．焊核的深度要浅得多。而且与实际焊接接头截面相对比，根据图不所标注的焊缝不同区域，从模拟焊缝中训以得到焊核的温度范围为460oc～520。C，热机影响区的温度范围为400oC～460。C，热影响区的温度范围在350。C～4000C。而目从图3一l5(b)中可以明显的看出，沿焊缝方向后撤边的b边要比前进边多。}“■|=“}N辑臀搿学竺警擀“搿。：篇荆。；暑譬篡骂黧竺慧黧鬟篓!_!!：II(I2)甜r—竺，紫竺鬻矽等≯訾嚣薯带。a(2—1)薯=篡篡鬻鬟j=“”篓慧ib(2—2) 旃·搴铝合台搅拌摩擦，．‘的热过程研究^Hi■—了————————————]田一薰一—一⋯一“_’州蔓。””《!删”“#!，一?“’。■一j⋯⋯～熊她⋯一w～h(32)■o^特?斜⋯M州一一：《州。繁紫—⋯””蝌，““!?缈’⋯j一“!““Iq3-14小H时刻岬扳LDIo《l台惫的湍度场分札譬二二曩隧鬟穰鬟禳蘩蕤篓滚黍霪霪—??翌等冀紫茹：卿：篇_?fal(1，)囝3．15蚺7缝横截而r的温I}[分布(t=75s为r研究焊缝内任截mn：搅拌摩擦焊接过程中温度随焊接叫间的变化睛况，在木实验Il-选I{_(焊缝中心l’Ph离焊接起始边分别为25ram，50ram．78ram，112ram，l50ram五个截咖作为研究刈象，这五个截面pF埘个节J‘^小同时刻的温度与其对应的p十l'u⋯扫：同一啦标系下进行对比，如图3．16所,Ji。儿，p吲(a)为丁什l：表面的温度时M曲线，图(b)为丁件下表面的温度时间曲线。从图中可以靠¨：在丁：件任点处，焊接的最高温度足相近的。而目焊缝L表面的最岛温度比 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究下表面的最高温度大致要高出100。C左右。这主要是因为工件较厚，在焊接中，搅拌头深入工件中所产生的热量在到达工件下表面时有一定的损失，这样使得焊缝截面的下方处于热机影响区，温度就比较低。温度oC{0f并’；≯i芸j?!：鞋．；癸．；羹：j时间(sec)温度oC≈j≠，；：o二托荐：≈f．‘j’々牡{竹{越≈，时间【sec)图3．16焊缝不同位置上的热循环曲线图3．17显示了焊缝截面上距始焊位置间隔不同的截面上不同节点的温度时间曲线。其中A曲线为距始焊边30mm位置上节点的温度曲线，而B曲线为距始焊边60mm位置上节点的温度曲线。可以看出图中的温度分布与上面所得到的焊缝不同区域温度范围大致相同，也证明了采用有限元方法模拟分析厚板铝合金温度场的准确性。图3—18则为垂直于焊缝沿Y方向不同位置上的节点温度曲线。图中清楚的说明了距离焊缝不同间距的位置中工件上下表面的温度分布，除了在焊缝位置上，工件的上下表面温度有一定的差距职位，其他位置上的温度分布是重合的，这是因为在其他位置上的边界条件相同，温度的变化趋势也相同。温度oC图3．17不同位置上沿Z方向焊缝截面不同节点的温度曲线 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究温度oC图3·18沿Y方向垂直焊缝不同节点的温度曲线图3．19显示的是搅拌头范围内工件上下表面的温度曲线。从图中可以看出，厚板铝合金LDl0的搅拌摩擦焊接中，在距离始焊点25mm的位置上，沿Y轴距焊缝不同位置上的温度分布趋势，上表面的温度变化梯度要比下表面的温度变化梯度大，且在焊缝处工件上下表面的温度差别最大，距离越远，温度差别也越来越小。。节’?l’÷：：，蕞。i韶’‘》j”：一：：：‘；_j。jj，埴批÷tj温红j度t’oC辑j‘oj“，i4：摹∞V．。掣。掣’：”葛⋯了～+i⋯}～j⋯薯～?：⋯了“l?～：～孑’荔一五”夏距离焊缝中心位置／mm图3．19距离焊缝中心不同位置上的温度曲线3．3．3厚板铝合金FSW焊接接头的组织性能‘33】采用合适的焊接工艺参数，可以获得质量优良的搅拌摩擦焊缝。焊接后接头形成了4种不同的区域：焊核区，热机影响区，热影响区和母材。如图3一15(b)所示。从图中可以看出焊缝区上宽下窄，呈“V”状。采用搅拌摩擦焊所得到的接头组织主要是以细小的等轴晶为主，这主要是因为搅拌摩擦焊作为固态焊接技术，在焊接过程中，材料只达到塑性温度。同时焊 筇=节销台惫搅拌摩摔焊的热过程研究梭区域在搅扑头强烈的搅拌作川之下，纤历r较高温度的热循_Eif=，组织发生动态』ff结品，巾母材原始的板条状组织，如图3-20(d)，转变为为细小的等轴再结晶组织。搅拌摩擦焊i=上程巾，搅拌引不仪旋转产热，使母材达到犁性状态．向且沿焊接打向自个相刈运动，掣陛材料在搅拌引的机械搅拌作用下发生靼性流动，但其河‘动的速度和方向是随时问{n位置的变化而不断变化的，冈此搅拌制周【村的掣性材料小魁静态的达到塑性，史形，而是个动态随机变化的过干ll!。塑陆材料n焊接热循环的作川下发生动忐再结品。山于焊核R是受搅拌针机械作川最人柏区域，发生阿结艄的品粒来小发长人就n搅扑针的作用下发生破碎，形成等轴、细小的品粒，如|芏|3-20(a)。黧豳鏖豳(b)(d)州3-20LDIO厚板铝合金搅拌摩糌焊接头的微观组织(a)焊棱队O)热机影响[)(0)热影响k(d)母材热机影响区的组织在焊接过程中同时经受搅拌针的机械搅拌和焊接热循环的烈重作用，但是热机影响R距离搅{t针，受到搅拌针作川远小r焊梭区组织。凶此这部分材料发生较大程度的弯曲变形，并且局部区域在热循环的作用下发，￡回复反应，在扳条状自i织内形成了回复品粘gi织，如图3—20(b)。而热影响区组织在焊接过程巾仪仅受到热循环作』H，浚匪组织没有发牛变彤，其经受的焊接热作用也比焊核区弱．仅仅发生同复反应，相对于母材该区组织稍微有粗化现蒙，如图3．20(c)。 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究3．4参数对温度场分布的影响搅拌摩擦焊的工艺参数主要为焊接速度、旋转速度和顶锻压力。在焊接过程中，改变这些工艺参数对温度场的影响十分显著的。从上面的模拟过程中，通过本人不断的调试可以看出，搅拌头的轴肩压力增大时，同一点的温度相对而言有一定的上升；温度的分布为剪切边高于流动边。同样，当其他工艺参数相同的情况下，搅拌头的旋转速度越低，温度越低。而在焊接过程中，如果焊接速度过高，由于铝合金散热快，材料在搅拌过程中温度没有达到软化的程度，搅拌头在前进中摩擦过大会导致搅拌针的断裂。在模拟过程中则表现为随着焊接时间的延长，材料上温度越来越低，达不到搅拌摩擦焊所要求的温度范围；如果焊接速度过低，在焊接过程中，温度由于来不及散失而不断聚集，导致后焊的位置比前焊位置的温度高出许多，在模拟过程中则表现为随着焊接时间的延长，材料上温度越来越高，甚至超出铝合金材料本身的熔点，这在实验中是不可能发生的。因此在采用ANSYS进行有限元分析时，针对不同材料，不同板厚的铝合金应该不断调节这些工艺参数，以使得所得到的温度附合实验条件下的温度条件，且为铝合金熔点的80％"-'90％。(1)不同时刻的温度分布规律随着焊接过程的推移，温度较高的区域在逐渐扩大，而且最高温度区一直跟随摩擦头向前移动；摩擦头前方温度低，后方温度相对较高；搅拌头前方、越靠近摩擦头的区域温度梯度越大，而后方温度变化较为平缓，搅拌头两侧为中等梯度；表面的等温线为封闭的椭圆形，在搅拌头前方密集后方稀疏。(2)同一截面上的各点温度变化规律【34】特征点越靠近热源，温度的升高越剧烈，最高温度也越高；各点到达局部最高温度的时间随着与热源距离的增长而逐渐延迟，说明热源的作用在逐渐减弱。3．5本章小结针对搅拌摩擦焊热过程分析已经有很多描述，本章主要介绍了薄板与中厚板铝合金在搅拌摩擦焊过程中的温度场模拟。其中薄板主要是针对LYl2和7075两种铝合金进行有限元分析，而且从摩擦系数不变和摩擦系数随温度变化这两种情况中的分析中得出了不同位置，不同节点以及不同时间的温度变化曲线，从中总结出了铝合金搅拌摩擦焊温度场的变化规律。而且主要针对7075铝合金材料的焊接接头的组织性能进行观察分析，来验证搅拌摩擦焊温度场的准确性。 第三章铝合金搅拌摩擦焊的热过程研究同时在本章中也介绍了LDIO厚板铝合金的搅拌摩擦焊的温度场分布，为了简便计算，对于厚板铝合金主要是采用摩擦系数不变的情况进行分析，总结出厚板铝合金搅拌摩擦焊的温度场变化建规律，同时分析LDIO铝合金焊接后不同区域上的组织结构，并且与实验得到的焊缝进行对比，可以看出模拟所得到的结果与实验结果是一致的。 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程异种板的焊接在现代工业生产中有很大的应用。异种铝合金材料之间和铝合金与其他金属之间的焊接是十分普遍的。采用搅拌摩擦焊对异种合金进行焊接，不仅母材组织没有明显的晶粒粗化现象，而且接头组织性能还要比母材组织性能要高出许多，这样的话就使得异种合金焊接后，不仅充分利用了不同合金的优势，而且焊接接头的性能对于工业生产也是十分有利的。目前有关铝合金异种板焊接的研究很少，由于材料的物理性能不同，铝基合金和其他材料之间焊接采用熔焊技术有很大的阻碍。但是搅拌摩擦焊作为固体焊接技术，针对不同合金的焊接在实际过程中已经得到了验证。铝合金异种板的搅拌摩擦焊在数值模拟中存在很多不确定的因素，本文采用ANSYS有限元软件对铝合金异种板和铝．钢异种板的搅拌摩擦焊温度场进行模拟分析，总结出一些规律，为异种板的搅拌摩擦焊技术的应用和推广提供了理论依据。4．1铝及铝合金异种板的搅拌摩擦焊热过程4．1．1铝及铝合金异种板焊接材料的选择模拟分析铝及铝合金异种板搅拌摩擦焊的材料分别为LYl2和6061．T6。选用这两种铝合金进行异种板焊接，一方面是因为两种板在现实工业生产中被广泛应用，两种板的焊接也是的；另一方面是因为两种铝合金的性能相差不大，异种板搅拌摩擦焊接容易实现。LYl2的性能参照表3．2所示，而6061．T6的性能参数参照表4．1。表4-16061．T6随温度变化的物理性能温度参数250C1000C2000C3000C4000C密度p／(kgm。3)2685265726302600比热容C9451028’10781133导热系数W／(m．oCl162177192207223异种板的搅拌摩擦焊热过程分析采用的两块铝合金板单个尺寸为 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程200mm×50mm×4ram，接头形式为对接。焊接过程中，移动热源沿焊接方向呈对称分布，但是由于材料不同，所建立的模型仍然为所有的模型，不能简化。假设焊接过程没有热辐射散热，对称面处取绝热边界条件。使用ANSYS前处理器，直接生成实体模型，如图4．1所示。／-LYl2图4一l异种板焊接建立的模型4．1．2铝及铝合金搅拌摩擦焊热过程分析搅拌摩擦焊的温度场分析在第三章中主要分为摩擦系数不变与随温度变化两种情况进行分析。在异种板焊接中，为了简便计算过程，这里主要针对摩擦系数不变的情况进行模拟。参照实际的焊接情况，这里采用的焊接参数主要为搅拌头旋转速度950rpm，移动速度O．001m／sec，搅拌头轴肩压力为8000N。在分析模拟中，假定摩擦系数为0．22，且在焊接过程保持不变，其他的焊接参数与同种铝合金焊接参数相同。根据表3．2和表4．1所示的两种铝合金的物理性能，可以看出选用的两种铝合金板的性能相近。图4．2显示了焊接过程中在t=20s、40s、60s、100s四个不同时刻两种铝合金板搅拌摩擦焊接头表面的温度场分布情况。由图可以看出焊接过程中焊缝中心表面温度在4800C～5300C之间变化。搅拌头沿两铝合金板的接触面进行焊接，搅拌针和轴肩与两种材料的接触面积是一样的，但是两块板的表面温度分布却不同，LYl2铝合金板上的温度分布要比6061铝合金板的温度分布大。这主要是因为两种铝合金材料的性能不同，散热系数也不同，这就使得两种材料在同样的焊接条件下，温度随时间变化的程度也不同。但是采用搅拌摩擦焊对铝合金进行焊接过程中，最高温度都没有超过材料的熔点，都属于固态焊接。 第网章异种板搅拌摩擦焊的热过程!#附“嘞#”“嘴戆槲。耐》⋯#}学、：i。二．‰二一一抽)t=20s譬黧磐鬻⋯鬻篓黧鬻?气．|鬟竺黑鬻黧黧鬻*黧篓登(c)i-60s(由FIOOs图4-2两种铝台金搅拌摩擦焊接头在不同时刻的温度场分布誊篓’二“l；缫缓缀魏纛黪潮㈣燃鬻，㈣絮爨：鬻鬻滞群⋯：苗”“’，‘嚣；=，?：：一一7Uf0一∥!麴缀黼㈧溺骊嘲麟瀚!糟譬警擀絮鬻懋蛩≯蝴絮=钎，⋯；图40两种铅台金焊缝横截面上的温度分巾图4-3则盟不r两种材料接触面上的焊缝纵向的温度分布，与I刊种材料焊接接头栩比，材料f．F表面的温度相差较大，这除了是凼为材料性能坷；l刊的原心之外-还是因为两种板接触面之间1字在热量的互换，这样就使得焊缝截面上温度很快就散开了。图中(劬为LYl2铝台金材料焊缝截面的温度分布．图(b)为6061锚 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程合金材料焊缝截面的温度分布。仔细观察可以看出，虽然材料不同，但是接头截面上的温度分布是相同的，这也说明了这两种铝合金搅拌摩擦焊焊接接头的温度分布是相似的。图4-4是两种铝合金搅拌摩擦焊中固定位置上不同材料的温度一时间曲线。其中曲线A为距离始焊点25mm处垂直与焊缝沿Y方向上不同节点的温度曲线，曲线B为距离始焊点35mm处垂直与焊缝沿v方向上不同节点的温度曲线，曲线C为距离始焊点100mm处垂直与焊缝沿Y方向上不同节点的温度曲线，曲线D为距离始焊点150mm处垂直与焊缝沿Y方向上不同节点的温度曲线。对比4组曲线可以看出不同位置上的最高温度是相近的，而且每条曲线的变化趋势也是相同的。温度oC图4．4两种铝合金搅拌摩擦焊中固定位置上不同材料的温度一时间曲线4．2铝基合金与钢的搅拌摩擦焊热过程4．2．1铝基合金与钢材的性能目前铝合金的焊接已经应用到工业生产的很多领域，这就不仅包括铝合金材料的焊接，还有异种板的焊接，除了上面介绍的两种不同铝合金之间的焊接之外，异种板焊接还包括铝基合金与各种其他有色金属的焊接，铝基合金和各种刚才的焊接等等。这里主要介绍了铝基合金与钢之间的异种板焊接。由于铝及铝合金的密度小、比强度高，且具有良好的导电性、导热性和耐腐蚀性，因此，近年来采用铝．钢异种金属焊接结构的产品越来越多，并在航空、造船、石油化工、原子能和车辆制造工业生产中显示出独特的优势和良好的经济效益。模拟实验中选用的铝基合金为6061．T6，而钢则为15钢。铝合金的性能 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程参数可参照表4．1，而钢的性能参照表4-2。表4．215号钢的性能温度参数25oC5000C10000C15000C20000C密度p／(kg．m一3)7800比热容C75．6导热系数IV／(m．。C)50．415号钢属于低碳钢，其强度、硬度低，而塑性。韧性高。锻造及焊接性能良好，冷塑性能力高，但切削加工时不易得到光洁的表面。主要用于制造受力不大，韧性要求较高的机械零、部件。4．2．2铝基合金与钢材之间搅拌摩擦焊过程在本章中铝基合金与钢之间两种板的搅拌摩擦焊是采用4ram厚的铝合金6061．T6和15号钢之间的焊接，两种金属的宽度都为50ram。在焊接过程中，钢是后退侧，铝合金作为前进侧。搅拌头轴肩直径为15mm，搅拌针直径为6ram。两种金属板在旋转速度为941rpm焊接速度为0．002mm／sec，搅拌头轴肩压力为7500N的焊接参数下进行焊接。图4．5显示了铝基合金与钢搅拌摩擦焊中搅拌针与焊接接合处的四种相对位置。图(a)表示为搅拌针完全旋入铝基合金中，也就是向铝基合金偏移3mm；图(b)表示为搅拌针完全旋入钢中，也就是向钢材偏移3mm；图(c)表示为搅拌针与焊接结合位置重合；图(d)为搅拌针旋入焊接结合处，但不重合，向钢材一侧偏移为Imm。本文在研究过程中，采用的是第四种情况，即图(d)所示的焊接位置。《b)F“+。|⋯褊黼÷IA|60eIl戡“*⋯#i”o≥。。偏移+3胁lc》后退侧I前进测F。’steel一⋯一／U6《151图4-5铝基合金与钢搅拌摩擦焊中搅拌针与焊接结合处的相对位置f35】 第网章异种板搅拌摩擦焊的热过程倒4．6显爪了焊接过程中在t=5s、20s、60s、85s四个不同时刻铝基台金与钢材搅拌摩擦焊接头表面的温度场分布情况。出罔可以看出焊接过程中材料上最高温度在605oC～620。C之问变化。搅拌针向钢材一侧偏移1mm，沿两种板的接触方向进行焊接，搅拌针和轴肩与两种材料的接触面积是不同的，其中搅拌头与钢材的接触面积噩比搅拌头与铝基合金的接触砸l积大一些，这样的话在焊接过程中，钢材一侧所得到的焊接热量就比铝基台金一侧大得多，使得钢材J二的温度比铝基合金的温度^得多。从图中可以再出，钢材上的焊缝区域温度范围存540。C～620。c之间变化，铝基合金上的焊缝区域温度范嘲在470。C～540oC之M变化。已知铝基合会的熔点在600。C左右，而铡材的熔点1400。C，模拟分析得到的温度均没有超过材料的熔点，附合搅拌摩擦焊固态焊接的条件。但是从两种材料的物理性能nr以看出．6061铝合金的导热系数足l5钢的4倍，而比热是l5钢的lo倍。这样在焊接过程中，温度在两板上的传导就有报太的区别。由于铝合金的散热系数比钢要大，这样在罔中可以看H{，在一定的时间内，热量在铝合金板上传导的帕】积要远远大于在钢板l‘的传导面积。，?鬟黧麓黧掣㈣『：YI“墨寰。．．卿黑蜘雾篡簟篇“鬻篡?。t-60st=85s围4-6不同时间铝基合金与钢搅拌摩擦焊的温度场分布蒙～≥。喾三一篓。 第叫章异种扳搅拌辟摊蛘的热过程蚕■———1[二复[二]亡二二二二：翻4．7阿种材料接台横截面上的温度分布幽4．7则显示了两种材料接触面上纵向的温度分布。吲叫种材料焊接接二L柑比．异刊一板蚪接接头的焊核较浅，而且材料}下表面的温度十H著较大，这除了是陋l为材料性能不同的蟓因之外，还是闵为两种板接触面之间存打热量的互换，这样就使得焊缝截面上温度根快就散开了。图rl，(a)为606I—T6铝合金材料焊缝截血的温度分布，|{f{(b)为15钢材料焊缝截而的温度分布。从罔中可以看出，6061铝弁金板纵向截面上焊核形状为梯形，最高温度在495。C．在材料熔点的80％～90％2间，附合固态焊接条件。而钢在两板结合丽上的最高温度为608。C，没有选到焊缝的最高温度，这是因为搅拌头偏离钢材Imm，焊缝中心不在两板的接触面上．但是图(b)中的温度分布可以认为是焊接接头上热机影响区或者为热影响区的温度分布。图4-8中(a)、(b)、(c)、(d)四组曲线分别显示了铝基合金和15钢上下表卣不同位黄的温度曲线。对比(a)和(b)可以看出两种材料上表面的温度变化趋势足相同的，但足所达到的最高温度不同。其中图(a)显示的锅基合金606I—T6上表面的蛙-岛温度550。C上下，而l5钢上表面的最高温度在620。C上下。相差近100oC。对比(c)和(d)口r以看出两种材料下表面的温度变化趋势是_}芏的，而所达到的最岛温度相差很小，只有10。C左右。阁4-9显示的是铝基舍金和l5钢两利，材料上距离始焊点70ram和110mm两个位置上垂直于焊缝Y方向上不同节点的温度时间曲线。其中罔(a)为锚基俞金6061上不同位置的温度曲线，幽(b)为15钢上不同位置的温度曲线。对比两图可以看出，铝基合金上距离焊缝较近的两个节点温度相差较大，而l5钢上距离焊缝较近两个节点的温度相差较小。这是因为模拟焊接温度场时，搅拌头是向钢材一侧偏移Imm，这样的话整个焊缝区域在钢材一侧的面积就比在铝基台金一侧的面积要大的多，使得间隔很小的两个节点的温度相差不同。 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程温一度⋯oC_‘·，¨'·●，，·：：，÷‘r·一州‘·‘‘，，E‘时间(sec)(a)。，f‘}：{÷斗一，jc‘‘}，!j’}“‘．，时间(sec)温度oC温度oC●“，一．，¨‘．j”《；：¨×Mt‘：，时间t；ec)，jz，：c持．!搿i≈+1×：：一c*，：z：：”时间(sec)(c)(d)图4-8铝基合金与15钢上下表面不同位置上的温度时间曲线(a)铝基合金上表面的不同位置上的温度曲线(b)钢材上表面不同位置上的温度曲线(c)铝基合金下表面的不同位置上的温度曲线(由钢材下表面不同位置上的温度曲线温度oC温⋯度一oC“·，十t：。。，，．”f，，一c．．，轴c}杆，。：：时间(sec)图4．9铝基合金和15钢距离不同位置上不同节点的温度曲线图4．10显示了铝基合金和15钢上表面距离始焊点不同距离位置上的最高温度变化的曲线。图中上面的曲线是15钢在焊缝方向上不同位置所对应的最高温度变化曲线，下面的曲线是6061．T6铝合金在焊缝方向上不同位置所对应的最高．．49．．¨；j掣啦伸Ⅲ托小“吼温度虻 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程温度变化曲线。对比两条去曲线可以看出15钢在不同位置上的最高温度在6000C以上，而6061铝合金在不同位置上的最高温度在5200C左右。与上面所有图形反映的温度分布曲线是相同的。棱2葛-绺温燃。度oc盛女．躺e，钇静，●●一⋯’⋯’垂⋯⋯⋯⋯●⋯⋯．●⋯⋯，⋯⋯’⋯““P⋯⋯’⋯⋯?⋯⋯⋯⋯‘f⋯⋯⋯⋯。I．⋯⋯““⋯⋯⋯‘⋯⋯‘’韶∞翻}稚1粥：■；距离／m图4．10两种不同材料上表面距离始焊点不同距离位置上的最高温度变化曲线算终#杉钎’⋯⋯⋯-m自∞ioC鼢j!黼}i黪／-：。#￡!．ji咎躲(a)⑨图4—1l(a)铝合金6061和钢在距离焊接结合处3．5ram位置上的温度-时间曲线。(b)两种不同材料的加热／冷却率。图4-ll(a)显示了6061铝合金和15号钢不同位置上的温度时间曲线，图(b)显示的为两种材料测量的加热／冷却率，图中铝合金最大的温度为491oC，钢的最大温度为600oC。考虑到材料的热机械性能，在热输入的计算中进入钢的是进入铝合金材料的3倍。图4．11是实验测得的温度时间曲线，对比上面所得到的温度分布情况可以看出，数值模拟所得到的温度场模拟与实验结果是相附合的。彩一够．终?一黼～毒!}瓤冀 第四章异种扳搅拌摩擦埠的热过程4．2．3异种铝合金搅拌摩擦焊接头的组织分析异种板焊接有报广泛的应用基础．模拟异种板搅拌摩擦焊温度场也有很大的意义，那么搅拌摩擦焊焊接异种板是否能够得到良好的焊缝质量是研究温度场的一个重要的影响。下面详细介绍铝和钢之间的搅拌摩擦焊接所形成的接头。异种板焊接就会存在材料之间的相互作用和扩散．铝基台金和钢材在进行搅拌摩擦焊异种扳焊接时．铝与钢中的铁既可以形成固溶体、金属问化台物，又uJ以形成共晶体．因此，铝合金的力学性能和焊接性受铁含量的影响较大。搅拌摩擦焊是固态焊接．材料在焊接中都没有达到熔点，但是材料在搅拌头的高温搅拌下．锅耗子和铁粒子在搅拌头高速旋转搅拌作用下，会相互混合，从而提高了焊接接头的强度和硬度．同时也使得接头的塑性和脆性达到一定的标准。图4-12为铝基合金与钢材之间进行搅拌摩擦焊工艺得到的纵向宏观图形。图4．12606I．T6与15号钢之间搅拌摩擦焊接头为了对比，闰4．】3显示了距离起始点80ram处横截面上的宏观结构和数值模拟中相同位置上的焊缝接头沿Y方向上的纵向截而。对比两罔可以看出，焊缝纵向截由r的不同温度区域与实验所观察剑宏观图象是相似的．这也充分验证了奉史所得到的温度场模拟分析的准确性。图4一14分别显示了母材边缘附近偏向钢材一侧的两种材料的显微组织照片。从母材显微照片中可以看出分截面上主要分布在钢板一侧，对比可以看出钢板上分布着均匀的显微组织。这主要是因为在两种材料结合面上偏向钢材--N的焊缝处，钢材温度达到6100C左右，距离钢材的熔点相差很大，材料j_{是达到塑性变形温度．同时在焊接过程中搅拌头的不断搅拌作用，使得钢材一侧焊接接头的组织是细小的等轴晶粒。同时还可以从图中看出在钢板边缘附近出现的锚齿状的组织形式主要是由于搅拌头的剪切作用力引起的，尤其是因为轴肩在母材底边上发生的相对平滑的移动。 第四帝异种扳搅拌摩擦焊的热过程4．3本章小结图4．14母村边缘附近以钢为基础的光学显徽组织(a)细化的颗粒状层(b)铅合金嗣恫的钳齿结构异种板焊接在实际的_：【二Hk生产中是l‘分普遍的，结合实际的焊接隋况和茧求．提出r异种板的搅拌摩擦焊．并且模拟分析了异种板焊接的热过程。本文从两种不同铝合金板的搅拌摩擦焊和铝基合金与钢材之间的搅拌摩擦焊两种情况分析异种板的温度场分靠，提出r不同于|司种板焊接的热输入模型和边界条件，得出了异种板焊接特殊的温度场分夼形式。而且还对铝基合金与钢材的搅拌摩擦焊接头进行详细的描述，埘接头组织结构和形式进行分析，很好的验证了搅拌摩擦焊接异种金属材料的优越性。 第四章异种板搅拌摩擦焊的热过程本章就两方面对异种板之间的搅拌摩擦焊进行热过程分析。首先是不同铝合金之间的搅拌摩擦焊温度场温度。为了方便进行模拟分析，本章所选的两种铝合金分别为LYl2和6061．T6。这两种铝合金在航空航天领域都有着十分广泛的应用，而且它们的熔点相近，进行焊接时考虑的问题要简单的多。其次是铝基合金与钢材之间的搅拌摩擦焊。本文介绍了铝合金与钢搅拌摩擦焊过程的几种不同的搅拌头位置，并且针对第四种情况进行详细的说明，得出了焊接接头不同材料上的温度分布。通过对比数值模拟分析所得到的焊接接头的纵向截面和实验所得到的焊接接头截面，观察焊接接头附近不同材料的组织性能和晶粒分布，有效的验证了铝基合金与钢材搅拌摩擦焊中温度场模拟分析的有效性和准确性。 第五章结论本文主要是利用ANSYS有限元软件对搅拌摩擦焊的热过程进行模拟研究，同时利用金相组织观察对接头焊缝各个区域的组织进行分析验证。在论文中，详细的介绍了到目前为止，国内外对搅拌摩擦焊热场分析的现状，而且提出自己的一些假设条件和边界条件，建立热源模型中，更加附合实际的焊接情况。综合全文的研究内容，可以得到以下结论：1、模拟分析4mm厚的LYl2和7075两种薄板铝合金的搅拌摩擦焊温度场分布，从摩擦系数不变和摩擦系数随温度变化两种情况下分析得到工件不同位置上各点的温度分布曲线，也得到了焊缝纵向截面上模拟的接头形状，与实际焊接得到的接头分布是相同的。在7075铝合金的金相分析中，搅拌摩擦焊接头组织几乎没有缺陷，焊核区为细小的等轴晶粒，热影响区的组织接近母材，接头力学性能良好。2、对6mm厚的LDl0厚板铝合金的搅拌摩擦焊温度场的分析得到了焊缝纵向截面上的接头形状，它与薄板焊接的接头是不同的。厚板的焊接接头中，与薄板得到的“V”形接头形状不同，所得到的接头焊核较浅且较宽。在金相观察中可以看出，从母材到焊核区的组织分别为板条状组织一粗化晶粒一回复组织一等轴晶。3、异种板的焊接比普通板焊接温度场要复杂的多。本文所选用的LYl2和6061一T6两种铝合金性能相近，熔点也相近，这对于搅拌摩擦焊是十分有利的。在焊接中所达到的最大温度为4700C，在熔点80％"--'90％之间，附合实际的焊接条件。而铝基合金与钢之间的焊接在建立模型中要考虑实际的工作情况。选用的材料分别为6061．T6和15钢。在焊接中，搅拌头距离焊接接合处的位置不同，偏向不同，所得到的温度场分布也不同。本文模拟中选用的是搅拌头偏向铝基合金lmm，这样根据两种材料不同的散热条件和物理性能，得到的温度场是附合实际条件的。铝合金在焊接中达到的最大温度为5000C，而钢达到的最大温度为6300C。本文主要是观察铝基合金与钢之间的焊接接头的组织。从宏观接头可以看出在选用的焊接条件下接头偏向铝基合金，而且从微观组织中可以得到，铝基合金-N的晶粒要小于钢材一侧的晶粒。‘ 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