铝合金搅拌摩擦焊变形有限元分析

赵鹏程伍大为

(天津航空机电有限公司天津300300)

摘要：铝合金，尤其是2XXX和7XXX系列硬铝和超硬铝合金，具有良好的耐蚀性、导电性、延展性，且外形美观等一系列性能优点。随着材料科学、加工技术的发展，铝合金在工业中的比重越来越大，应用范围也越来越广泛。铝合金的最主要连接方法是焊接，在现有的焊接方法中，搅拌摩擦焊技术（frictionstirwelding，简称FSW）以变形小、焊缝力学性能好、易于实现工业自动化等优点成为铝、镁合金焊接的最好方法之一。通常认为，FSW技术成形的焊件变形及残余应力较小。但对于较大尺寸的焊件，变形及残余应力都不可忽略。尤其在焊件后期使用过程中，变形及残余应力存在对焊件疲劳性能的影响巨大，因此开展FSW技术的变形研究具有重要意义。本文针对航空用7022铝合金平板进行了FSW试验，检测并记录了相关参数，采用三坐标测量仪测量平板变形情况。同时利用有限元软件，模拟仿真焊件温度场、应力及变形情况。比较试验和仿真结果的差异，为大型复杂结构焊接件的变形提供了研究基础。

关键词：铝合金；搅拌摩擦焊；数值仿真；焊接变形

1、有限元模拟

采用ANSYS分析软件建立三维有限元模型对7022铝合金的搅拌摩擦焊接过程进行模拟。模拟中采用热－力单向解耦计算方法，先计算焊接温度场，每个节点在每个增量步的温度以数据文件形式输出，并在力学分析模型中将温度场结果作为边界条件按照对应时间读入模型中进行力学分析计算。

1.1几何模型与网格划分

为了简化计算模型和节省分析时间，没有对装夹装置和焊接试验平台进行几何模型建模，试样的几何尺寸和试验中的板材一致。有限元网格选用Solid70和Solid45单元。在划分网格时在焊缝处采用较细的网格，而在远离焊缝处采用较粗的网格。尽管搅拌摩擦焊的焊接过程中两侧板件并不是完全对称的状态，但由于其前进侧和后退侧温度的区别并不大，故所建模型为对称有限元模型。划分的网格总共5400个单元，7220个节点。有限元网格图形如图1所示。

图1有限元模型

1.2热源模型

搅拌摩擦焊时主要热量由搅拌头轴肩和工件摩擦产生，搅拌头和工件的摩擦热量较少，而本文试样厚度达10mm，搅拌头与工件的摩擦生热及塑性变形生热不可忽略。因此，热源模型上添加了搅拌头和工件摩擦生热模型。

1.3边界条件

本文进行的搅拌摩擦焊焊接试验的初始温度为20℃。焊接过程中，焊件与外界同时存在着对流和辐射换热，故对外表面施加对流和辐射换热条件。在力学分析模型中，选用刚性固定约束焊接板材，待焊接结束并冷却到室温后，撤除刚性固定约束条件，使焊后变形在近似于无约束的状态下表现出来。

2、有限元结果分析

2.1搅拌头转速对变形的影响规律

利用以上有限元模型，保持搅拌头进给速度50mm/min不变，搅拌头转速依次为300，400，600r/min。随着搅拌头转速的增大，焊件在原来的变形规律基础上，变形增大，可能是因转速的提高增大了热输入和更剧烈的材料流动。当转速达到600r/min时变形减小，这可能是因大的热输入使工件受热更均匀，散热过程中变形均匀未导致局部剧烈变化。

2.2搅拌头进给速度对变形的影响规律

保持搅拌头转速为600r/min不变，搅拌头的进给速度依次为30，60，100mm/min时的焊件表面高度。随着搅拌头进给速度的提高，焊件在原来的变形规律基础上，弯曲程度减小，这是由于进给速度的提高减小了焊接热输入，在一定程度上抑制了变形。由此观察出搅拌头转速的变化对变形的影响比进给速度的变化对变形的影响更大。

3、试验验证

3.1FSW试验

试样为热压成形的7022铝合金，材料的化学成分见表1，规格为300mm×100mm×10mm。采用搅拌摩擦焊方法对试样进行平板对接焊试验，焊接设备由中国搅拌摩擦焊中心制造，型号为FSW－2XB－020悬臂式搅拌摩擦焊机，试验中采用的搅拌头转速为400r/min，进给速度为50mm/min。

表17022铝合金化学成分（质量分数）（％）

3.2变形检测试验

用于变形测量的仪器是MISTRAL070705型三坐标测量仪。焊后在试样表面用铅笔划出网格线，用三坐标测量仪在试样表面网格线交叉点处测出焊后试样表面高度。本文定义焊接变形为试样表面测量点和最低点的高度差。为了消除焊前装夹误差以及试样不对中误差对焊接变形的影响，在研究时以半块板为研究对象。试样上网格标记如图2示。

图4变形测量点的网格分布

3.3模拟结果和试验结果的比较

试验结果表明，沿焊缝长度方向上，中间下凹，两边向上翘曲；垂直于焊缝方向上，靠近焊缝区下凹，焊板边缘上翘。从而整体焊件4个角呈向上翘曲状态，焊板的中心区域下凹。沿焊缝长度方向上变形量最大约0.14mm，垂直于焊缝方向的变形量最大约0.04mm，这是由于热量集中在焊缝处，引起较大变形，垂直于焊件边缘处装夹作用使得焊件的变形较小。仿真结果表明，变形趋势与试验结果类似，整体焊件的两角呈向上翘曲，焊板中心区域下凹，仿真结果中焊缝方向最大变形约0.15mm，垂直于焊缝方向的变形量最大约0.2mm，略大于试验结果。可能是由于仿真过程中没有考虑上表面装夹的散热能力，而试验过程中的实际装夹部分的散热更加显著，散热状态相比实际焊接较少因而导致更大的变形；另一方面，实际的装夹约束效果比数值模型的边界约束效果更强，也引起实际变形效果更小。总体来说，厚板铝合金的焊接变形量较小，仿真结果和试验结果较为接近，验证了数值模型的正确性。

结语：根据此数值模型，获得了搅拌头转速和进给速度对变形的影响。增加搅拌头转速和减小进给速度都会增加热输入从而增加焊接变形，而且搅拌头转速对焊接变形的影响更加显著。

参考文献：

［1］周万盛，姚君山．铝及铝合金的焊接［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［2］林钢，林慧国，赵玉涛．铝合金应用手册［M］．北京：机械工业出版社，2006．

［3］王洪峰，左敦文，黄明敏，等.对7022铝合金板在不同温度下的流动应力与应变率［J］.南京航空大学学报航天学，2010，26（02）：173－179.