搅拌摩擦焊温度场

CN1122223/N清华大学学报(自然科学版)2010年第50卷第7期JTsinghuaUniv(Sci&Tech),2010,Vol.50,No.74/36

9802983,988

搅拌摩擦焊温度场

史清宇, 王细波, 康 旭, 孙延军

(清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室,北京100084)

摘 要:搅拌摩擦焊接过程中温度场的分布对焊缝成形质量具有重要的影响。该文结合数值模拟和实验方法,研究搅拌摩擦焊接过程的温度场。基于ALE(arbitraryLagrangian2Eulerian)方法建立完全热2力耦合的有限元模型,对搅拌摩擦焊接过程开展数值仿真,同时在模型中考虑塑性变形产热。选取两组不同工艺参数(旋转速度分别为600r/min和800r/min)对温度场的分布进行计算,并在相同的工艺参数下测量焊接过程中距焊缝不同位置处的峰值温度。数值模拟和实验对比结果表明:该模型能准确地模拟搅拌摩擦焊接过程中的准稳态温度分布情况;搅拌摩擦焊峰值温度低于材料的固相线;焊缝前进侧温度稍高于后退侧。

关键词:搅拌摩擦焊;有限元模拟;完全力2热耦合模型;温

度场

中图分类号:TG453.9

文章编号:100020054(2010)0720980204

文献标志码:A

搅拌摩擦焊接技术于1991年在英国焊接研究所(TWI)发明以来,引起了全球范围内的广泛研

究,特别是在轻金属材料的连接中具有广阔的应用前景,具有没有熔化冶金缺陷、变形小与组织性能优良等优点。

搅拌摩擦焊接是一种固态连接技术。在焊接过程中搅拌工具与工件紧密接触,高速旋转与其周围母材摩擦产热,同时材料软化发生塑性变形,并释放出塑性变形热。通过实验研究可知,不同的工艺导致搅拌摩擦焊接中产生的热量及温度场分布不同,会对焊缝成形的质量产生较大的影响[6]。由于整个焊接过程是在搅拌工具的轴肩与工件之间的一个封闭区域内进行,所以仅通过实验方法很难对焊接过程中温度场的分布进行分析。在过去的十几年里大量学者对搅拌摩擦焊接过程中的产热和温度场分布进行了模拟仿真研究。Seidel等使用基于流体力学的方法建立了二维模型对搅拌摩擦焊接过程进行仿真。Colegrove等[8]和Frigaard等[9]建立三维热流模型来预测搅拌摩擦焊接过程中温度场的分布。Kumar等[10]就搅拌工具的形状对焊接过程产热的影响进行了研究。Vijay等[11]采用自适应边界建立热2力耦合模型,对搅拌摩擦焊接过程中的温度场进行分析,但没有考虑搅拌针的作用。史清宇等通过建立自适应移动热源模型来对搅拌摩擦焊接过程进行模拟。

虽然之前关于搅拌摩擦焊接产热模型的研究已经取得了一些成果,但鉴于搅拌摩擦焊接过程存在大的塑性变形的特殊性,在对焊接过程中温度场分布进行计算时,有必要对焊接过程中产热来源及散热边界进行更准确的考虑。

收稿日期:2010204208

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50875146)作者简介:史清宇(1971)),男(汉),黑龙江,副教授。

E2mail:[email protected]

[12]

[7]

[225]

[1]

Temperaturefieldsduringfrictionstirwelding

SHIQingyu,WANGXibo,KANGXu,SUNYanjun

(KeyLaboratoryforAdvancedMaterialsProcessingTechnologyOfMinistryofEducation,DepartmentofMechanicalEngineering,

TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Thetemperaturefieldduringfrictionstirweldinghasanimportantimpactontheweldquality.Numericalandexperimentalmethodswereusedtostudythetemperaturedistributionsduringfrictionstirwelding.Afully2coupledthermal2mechanicalfiniteelementmodelbasedonthearbitraryLagrangian2Eulerian(ALE)methodwasusedtonumericallysimulatethefrictionstirweldingwiththeinelasticheatgenerationincludedinthemodel.Thetemperaturefieldsduringfrictionstirweldingweresimulatedwithrotationalspeedsof600r/minand800r/min.Thepeaktemperatureswerealsomeasuredatseveraldifferentlocationsforthesamespeeds.Theresultsshowthatthenumericalmodelcanaccuratelysimulatethemeasuredtemperaturedistributionofthisprocessduringfrictionstirwelding,withthepeaktemperatureduringfrictionstirweldingsomewhatlowerthanthesolidustemperature,withthetemperaturesontheadvancingsideslightlyhigherthanontheretreatingside.

Keywords:frictionstirwelding;finiteelementsimulation;fully2coupled

mechanical2thermalmodel;temperaturefield

本文基于ALE(ArbitraryLagrangian2的深度)、倾角(搅拌工具轴线与平板夹角)、搅拌头尺寸等工艺参数不变,仅改变旋转速度,如表1所示。图1为焊接过程中平板上热电偶的分布位置。在平板的前进侧和返回侧,分别布置4个热电偶,距离焊缝中心分别为15mm、20mm、25mm和30mm。

表1 搅拌摩擦焊焊接工艺参数

工况12

搅拌头转速

/(r#min-1)

600800

焊接速度/(mm#min-1)

120120

下压量

/mm0.50.5

倾角/(b)22

Eulerian)方法建立完全热2力耦合的有限元模型,以模拟搅拌摩擦焊接过程中的摩擦和塑性变形产热,从而对焊接过程中的温度场分布进行计算,并通过测温实验对计算结果进行验证。

1 验证实验

试验材料为6mm厚的7A52铝合金板材,尺寸为260mm@150mm。焊接实验在XT2900搅拌摩擦焊专用数控机床上进行,焊接过程中保持焊接速度(搅拌工具移动速度)、下压量(轴肩边缘压入平板

图1 工件以及被测点布置示意图

2 有限元模型

2.1 几何模型与边界条件

图2为有限元模型及边界条件示意图。

根据搅拌工具实际尺寸和形状建立有限元模型,并在计算过程中将该模型设定为刚体。实验过程中采用的平板尺寸较大,为了提高计算的速度以及网格划分的质量,平板的数值模型尺寸为直径120mm、厚度6mm。由于搅拌工具与平板的边缘距离足够远,所以平板计算模型与实际实验中的不一致对焊接过程中温度场分布的影响较小。平板的材料为7A52铝合金,材料的弹性模量、比热以及热导率与温度相关,屈服强度与温度、应变和应变速率相关[13]。平板共划分为26000个六面体单元(32000个节点),单元类型选择热2力耦合C3D8RT单元。

为了避免由于搅拌工具的运动导致过大的网格

图2 有限元模型及边界条件

畸变,本文使用ALE方法和ABAQUS/Explicit网格自适应功能。将搅拌工具的平移等效为平板材料沿相反方向以2mm/s的速度施加到平板的一侧。平板的两侧作为材料的流入和流出面,定义为Eulerian面,从而使材料点能与网格分开,平板的上下表面定义为滑移面,材料点只能在网格平面内运动,从而有效地模拟计算过程中材料与搅拌工具间的相互摩擦作用。

2.2 搅拌摩擦焊接产热模型

搅拌摩擦焊接过程中的热量主要来自于搅拌工具与平板之间的摩擦生热和金属塑性变形产热两方面。模型中通过建立搅拌工具与平板之间的接触作用,来模拟实际焊接过程中的产热行为。时间增量$T内,输入平板的热通量可用下式来描述:Qt=Qf+Qd.(1)

其中:Qt为总热量,Qf为摩擦产热量,Qd为塑性变形产热。

由于搅拌摩擦焊接是一个滑动摩擦和粘性摩擦共存的过程,为了较为准确地模拟焊接过程中搅拌工具与平板之间的作用,本文引入修正的Coulomb摩擦定律,摩擦力

p,S=minL

yield

.3

结果与讨论

选取与焊接实验完全相同的工艺参数(旋转速度分别为600r/min和800r/min)进行模拟,计算得到焊接时间t=15s时温度场分布结果如图3所示。从图中可以观察到在搅拌工具前侧温度梯度明显高于后退侧,同时,两种工艺的最高温度分别为506e和513e,是7A52铝合金固相线温度(620e)的81.6%和82.7%,这与实际情况非常吻合。

其中:L为摩擦系数,p为接触压力,Ryield为材料的屈服强度。

则摩擦产热量可由下式定义:dQf=kSQf=

Ryieldp,=kminL,

$t$tp,kminLS

RyielddAdt.3$t

(2)

QQ

$T

其中:k为摩擦产热效率,$s为滑移量。

在模型中,假定单位体积塑性变形产热[14]为

dQd=GR#EdV.

pl

图3 焊接时间t=15s时温度场分布

其中:G为塑性变形产热系数,R为应力,E为塑

性应变率。则时间增量$T内产生的总的变形热量为

Qd=

生的总热量为

Qt=

#pl

为了有效地评估温度场计算结果的可靠性,本文将模拟结果与测温实验进行比较。板材上表面离焊缝中心线距离分别为15mm、20mm、25mm和30mm时,计算和实测的峰值温度比较结果如图4所示。可以看到:计算和实测结果两者相当接近,特别是在距离焊缝中心较近的位置;在距离焊缝较远的位置可能是由于平板尺寸与实际不同,存在些许误差。对比结果表明所建立的完全热2力耦合搅拌摩擦焊接模型是合理和可行的。同时,从实验和计算结果中还可以观察到焊缝前进侧的温度要稍高于返回侧。

QQ

$T

#plGREdVdt.V

(3)

将式(2))(3)代入式(1)中可得时间增量$T内产

QQ

QQGREdVdt.

$T

XrminLp,S

#pl

$T

V

yield

dAdt+

元模型,用材料的平移和搅拌工具的自转代替搅拌工具的运动过程,成功地避免了由于搅拌工具的运动导致网格畸变的问题。同时,在模型中考虑了焊接过程中的塑性变形产热。计算与实验结果的比较表明:模型计算所得的温度场结果比较可靠;搅拌摩擦焊峰值温度低于材料的固相线;在焊缝的前进侧和返回侧温度场分布不对称,前进侧的温度稍高于返回侧。

参考文献 (References)

[1]

ThomasWM,NicholasED,NeedhamJC,etal.FrictionStir

Welding:

International

Patent

Application

No.

PCT/GB92102203andGreatBritainPatentApplicationNo.9125978.8[P].1991.[2][3]

MishraRS,MaZY.Frictionstirweldingandprocessing[J].MaterialsScienceandEngineeringR,2005,50:1278.LiuHJ,FujiiH,MaedaM,NogiK.Tensilepropertiesandfracturelocationsoffriction2stir2weldedjointsof20172T351aluminumalloy[J].[4]

Journalof

MaterialsProcessing

Technology,2003,142(3):6922696.

ShiQY,SilvanusJ,LiuY,etal.ExperimentalstudyondistortionofAl26013plateafterfrictionstirwelding[J].ScienceandTechnologyofWeldingJoining,2008,13(5):4722478.[5]

李红克,史清宇,王鑫,等.铝合金平板搅拌摩擦焊接应力变形分析.焊接学报[J].2008,29(2):81284.

LIHongke,SHIQingyu,WANGXin,etal.ResidualstressanddistortionofAlalloypanelsweldedbyFSW[J].TransactionsoftheChinaWelding29(2):81284.(inChinese)[6]

ColliganKJ.Relationshipsbetweenprocessvariablesrelatedtoheatgenerationinfrictionstirweldingofaluminum[C]//Friction[7]

Stir

Welding

and

Processing

IV.

Orlando:

MINERALS,2007,39254.

SeidelTU,ReynoldsAP.Two2dimensionalfrictionstirweldingprocessmodelbasedonfluidmechanics[J].ScienceandTechnology8(3):1752183.[8]

of

Welding

and

Joining,

2003,

Institution,

2008,

ColegrovePA,Shercliff,HR.32DimensionalCFDmodelingofflowroundathreadedfrictionstirweldingtoolprofile[J].Journal

of

Materials

Processing

Technology,

2005,

169(2):3202327.

[9]FrigaardO,GrongO,MidlingOT.Aprocessmodelforfrictionstirweldingofagehardeningaluminumalloys[J].Metallurgical

and

materials

Transactions

A,

2001,

32(5):118921200.

[10]KumarK,KailasSV,SrivatsanTS.Influenceoftool

geometryinfrictionstirwelding[J].

Materialsand

ManufacturingProcesses,2008,23(2):1892195.

图4 计算与实验不同位置峰值温度对比

4 结 论

本文采用ALE方法建立完全热2力耦合的有限

(下转第988页)

988

[9]

清华大学学报(自然科学版)

MillerPC.Lookatmagnetictreatmentoftoolsandwearsurface[J].1002103.

Tooling

andProduction,

1990,

55(12):

[15]AlshitsVI,DarinskayaEV,

Magnetoplasticmechanisms48(5):7682795.

effect:[J].

basic

2010,50(7)

KoldaevaMV,etal.properties

and

physical2003,

Reports,

Crystallography

[10]HochmanRF,TselesinN,DritsV.Magneticfields:fertile

groundformaterialsprocessing[J].AdvanceMaterialsandProcesses,1988,134(8):36241.

[11]OmarBatainech,BarneyKlamechi,BarryG.Koepke.Effect

ofpulsedmagnetictreatmentondrillwear[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2003,134(2):1902196.[12]CaiZP,LinJA,ZhouLA,etal.Evaluationofeffectof

magnetostrictiononresidualstressreliefbypulsedmagnetictreatment[J].MaterialsScienceandTechnology.2004,20(12):156321566.

[13]蔡志鹏,林健,周亮,等.磁脉冲改变残余应力方法中磁致

振动所起作用[J].机械工程学报,2005,41(7):2162220.CaiZP,LinJ,ZhouL,etal.Effectofthemagneticstrainvibrationinresidualstressreductionbypulsedmagnetictreatment[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2005,41(7):2162220.(inChinese)

[14]CaiZP,LinJ,ZhaoHY,etal.Orientationeffectsinpulsed

magneticfield

treatment

[J].

Materials

Scienceand

EngineeringA,2005,398(122):3442348.

[16]TangF,LuAL,FangHZ,etal.Effectofmagnetic

treatmentonmagnetostrictivebehaviorofHT70steel[J].MaterialsScienceandEngineeringA,1998,248:982100.[17]LuAL,TangF,LuoXJ,etal.Researchonresidualstress

reductionbystrongpulsemagnetictreatment[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,1998,74:2592262.[18]TangF,LuAL,MeiJF,etal.Researchonresidualstress

reductionbyalowfrequencyalternatingmagneticfield[J].

JournalofMaterialsProcessingTechnology,1998,74:2552258.

[19]林健,赵海燕,蔡志鹏,等.钢铁材料中残余应力与磁致振

动的相互作用关系[J].金属学报,2008,44(4):4512456.LINJ,ZHAOHY,

CAIZP,

etal.

Studyofthe

relationshipbetweenmagnetovibrationandresidualstressinsteelmaterials[J].ActaMetallurgicaSinica,2008,44(4):4512456.(inChinese)

[20]近角聪信.铁磁性物理[M].葛世慧,译.兰州:兰州大学

出版社,2002.

(上接第983页)

[11]VijayS,SrdjaZ,RadovanK.Thermo2mechanicalmodel

withadaptiveboundaryconditionsforfrictionstirweldingofAl6061[J].InternationalJournalofMachineTools&Manufacture,2005,45:157721587.

[12]李红克,史清宇,赵海燕,等.热量自适应搅拌摩擦焊热源

模型[J].焊接学报.2006,27(11):81285.LI

Hongke,

SHI

Qingyu,

ZHAO

Haiyan,

et

al.

Auto2adaptingheatsourcemodelfornumericalanalysisoffrictionstirwelding[J].TransactionsoftheChinaWeldingInstitution,2006,27(11):81285.(inChinese)

[13]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.

[14]DefaultSystem.ABAQUSAnalysisUserManual,version

617[M].USA:Hibbit,KarlssonandSorensen,Inc,2007.