浅析搅拌摩擦焊接头平面有限元模型建模方法

苑红磊 王忠平 张旗 徐晔 焦首岳

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266111

摘要：铁路运输是保障经济高速发展的重要条件，搅拌摩擦焊在铝合金车体中的焊接应用愈加广泛。铝合金属于多晶体材料，因此寻求一种有效的多晶体模型建模方法是对搅拌摩擦焊焊后多晶体材料力学性能进行分析的必要前提。本文的主要工作是对Monte Carlo多晶体模型的建模方法进行介绍。

关键词：单晶体；铝合金；力学行为；晶体塑性

1 前言

目前搅拌摩擦焊已经广泛的应用在高速动车组车顶、地板等多种大部件的焊接。在整个焊接过程中材料会发生较大的塑性变形，内部微观组织会发生演化，也就是材料内部晶体发生再结晶行为，导致晶粒形貌、晶粒大小、晶粒取向等发生改变。

长期以来，许多学者都展开了对搅拌摩擦焊接接头位置区域内部微观结构组织形式的研究，相关的研究工作也是搅拌摩擦焊接、增材制造等领域的研究重心。对于搅拌摩擦焊接而言，焊接的整个过程都伴随着温度场的变化，因此无法直接对材料内部的微观结构进行研究。尽管部分学者提出“焊接急停”的方法^[1]可以对当前时刻下材料的微观组织进行观察，但是不能对搅拌摩擦焊接的整个过程中的微观组织演化进行分析。

随着计算机技术的快速发展，为众多学者提供了有利的数值计算仿真平台，使用计算机可以对焊后构件任意时刻和位置处的微观组织进行模拟。本文主要基于Monte Carlo(MC)方法对搅拌摩擦焊接接头位置微观结构的有限元建模方法进行研究，并对二维平面Monte Carlo多晶体有限元模型的建模方法进行阐述。

2. Monte Carlo多晶体有限元模型建模方法

首先，利用移动热源数值模拟方法对搅拌摩擦焊接过程进行数值模拟计算，得到焊接工件的温度场历程数据。提取接头位置区域的温度场历程数据作为Monte Carlo方法的输入值，可以利用Monte Carlo方法完成对当前搅拌头转速、焊速、搅拌头直径下焊接接头区域中的晶粒形貌和平均晶粒尺寸。若要利用Monte Carlo模型完成接头区域的力学性能计算需要将多晶体几何模型转化为有限元模型。具体的转化过程如下所示：

（1）首先对Monte Carlo初始网格系统中的网格数进行确定，确定的网格数将是最终有限元模型中的网格数目。利用MC方法对晶粒的演化进行模拟，得到的取向信息保存在EXCEL中。并将模拟后得到的多晶体几何模型结果利用MATLAB编程语言进行图像化的展现。

（2）根据上一步中确定的网格数目在有限元软件HYPERMESH中建立相应数目的平面模型

（3）提取EXCEL中的取向信息，利用HYPERMESH脚本，为第二步在有限元软件HYPERMESH中建立的平面模型赋予取向信息。并将具有相同取向信息的晶粒归入到同一个集合中。

（4）由于Monte Carlo方法在模拟时受到温度的影响，部分打碎后的晶粒没有生长，但对有限元的分析过程产生影响，对个别的点要进行剔除，提高数值计算的收敛性。

（5）对前期HYPERMESH中的平面模型划分网格，网格的尺寸与格点的边长一致。并将Monte Carlo多晶体模型导出为有限元软件可读取的格式，便于后续的分析计算。

3.Monte Carlo多晶体与Voronoi多晶体计算结果对比

很多学者对多晶体模型展开了研究，目前使用较为广泛的是用Voronoi多边形^[2]来模拟多晶体内部的晶粒形貌特征，并在此基础上利用晶体塑性有限元方法完成数值模拟计算。本节内容将以6005A-T6铝合金^[3]搅拌摩擦焊接头焊核区为例，对比晶粒数目约为60个时，利用晶体塑性有限元计算Monte Carlo多晶体模型和Voronoi多晶体模型拉伸计算结果的差异，根据数值模拟结果得到不同模型下的应力应变曲线。其中材料参属为C₁₁=90192MPa，C₁₂=38653MPa，C₄₄=25770MPa。如下所示分别为Monte Carlo和Voronoi多晶体模型：

图3 Monte Carlo有限元模型

图4 Voronoi有限元模型

将提取的力学性能曲线与Voronoi多晶体模型进行对比，结果如图5所示（纵坐标单位为MPa）：

图5 多晶体计算结果对比

4. 结论

根据计算对比结果，所取的各项参数保持相同时，Monte Carlo多晶体模型与Voronoi多晶体模型的计算结果相近。保证了本文模型的有效性，通过与Voronoi多晶体内部晶粒几何特征的对比可知，Voronoi多晶体模型与Monte Carlo多晶体模型内部晶粒形貌及晶界不同。

参考文献

[1] Prangnell P B, Heason C P. Grain structure formation during friction stir welding observed by the ‘stop action technique’[J]. Acta Materialia,2005,53(11): 3179-3192.

[2] 罗娟. 基于晶体塑性理论的多晶循环本构模型及其有限元实现[D].成都：西南交通大学,2011.

[3] 董鹏,孙大千,李红梅,等.6005A-T6铝合金搅拌摩擦焊接头组织与力学性能特征[J].材料工程,2012,(4):27-31.

作者：苑红磊，1994，中车青岛四方机车车辆股份有限公司，硕士，青岛市城阳区锦宏东路88号，15762299936，[e-mail]