6082-T6回填式搅拌摩擦点焊热-流耦合分析

王希靖，许有伟，魏万奎，栾国红

（1.有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室（兰州理工大学），兰州 730050；2.北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心， 北京 100024）

6082-T6回填式搅拌摩擦点焊热-流耦合分析

王希靖1，许有伟1，魏万奎1，栾国红2

（1.有色金属先进加工与再利用省部共建国家重点实验室（兰州理工大学），兰州 730050；2.北京航空制造工程研究所中国搅拌摩擦焊中心， 北京 100024）

为了解释了回填式搅拌摩擦点焊的连接机理，本文根据6082-T6铝合金回填式搅拌摩擦点焊焊接过程的特点，建立了简化的热源模型，利用有限元分析软件ANSYS模拟出焊接过程中的温度场，进而耦合得到其应力场.结果表明：随着焊接过程的进行，铝合金6082-T6最高温度分布在袖筒1/2处，焊点处粘塑性金属的最大流动速度出现在铝合金上表面袖筒内侧区域；通过分析模拟过程中流体流动的流线与试验测量所得接头形貌照片，得到流场的分布规律.

热-流耦合模型；回填式搅拌摩擦点焊；有限元模拟

回填式搅拌摩擦点焊是一种可靠、节能、环保的轻金属单点固相连接技术，与电阻点焊和铆接相比，它具有接头强度高、质量稳定性好、焊接变形小、能耗低以及焊点美观等优点［1］.国内外学者对回填式搅拌摩擦点焊的研究主要集中在焊接工艺、接头力学性能及合理的结构设计等方面，对焊接过程中材料塑性流动机理的研究尚处于探索阶段［2］.

Song等人［3］建立了三维搅拌摩擦焊接过程的热模型，认为焊接过程中的热量由两部分组成：轴肩与工件的摩擦产热和搅拌针周围材料的剪切变形产热，但没有考虑搅拌头周围材料流动的影响.李红克［4］建立了热量自适应的搅拌摩擦焊接模型，认为热量随温度、材料性能而改变.赵衍华等人［5］利用FLUENT软件建立了搅拌摩擦焊接过程的数值分析模型，认为热量完全由粘性耗散产生.为了分析回填式搅拌摩擦点焊焊接过程中热流相互作用下的温度场及速度场，本文结合铝合金6082-T6回填式搅拌摩擦点焊的实际流场特征，以流体力学理论为基础，建立了回填式搅拌摩擦点焊焊接过程中塑性材料流动的数学模型；采用有限元分析软件ANSYS，对焊接过程中焊点区域的金属进行三维热-流耦合数值模拟和试验测量.

1 试验材料及设备

试验所用6082-T6铝合金的尺寸为150 mm× 50 mm×2 mm，化学成分如表1所示，搭接方式如图1所示.试验用回填式搅拌摩擦点焊焊机由搅拌摩擦焊接中心提供，搅拌针直径为5 mm，袖筒外径为9 mm，夹紧套外径为18 mm.所用的工艺参数为：搅拌套旋转速度为2 100 r/min，下扎时间为3 s，回填时间为3 s，下扎深度2.7 mm.

表1 铝合金6082-T6的化学成分（质量分数/%）

图1 搭接方式示意图

2 数学模型

2.1 热源模型

掌握回填式搅拌摩擦点焊过程的温度分布，可以更好地计算与其流场计算密切相关的材料粘度等特性，从而更好地了解焊接过程中材料的流场分布规律.袖筒产热实际有效区域为外径R1与内径R2之间的环，假设焊接压力均匀地施加于轴肩，不随半径变化，则半径为r，宽度为dr的微圆环上所受摩擦力为［6-7］

式中μ为摩擦系数.

微圆环上袖筒旋转作用力矩为

袖筒旋转扭矩为

袖筒产热功率为

式中：ω为搅拌头转速；P为袖筒端面上所受轴向力.

搅拌针半径为R2，高度为H，设搅拌针承受的均匀压力为P，则搅拌针旋转扭矩为［6-7］

产热功率为

2.2 流场控制方程

本文将焊点区域处于粘塑性状态的流体视为非牛顿流体［8-9］，结合回填式搅拌摩擦点焊的流场特征，模拟采用的控制方程包括质量守恒方程（连续性方程）动量守恒方程和能量守恒方程［10］.

连续性方程采用Eulerian方程.由于材料是不可压缩流体，密度为常数，故连续性方程为

式中：μ，ν，ω是速度矢量；x，y，z是坐标方向.动量守恒方程采用Navier-Stokes方程：

式中：ρ和P分别表示密度和压力，V是速度矢量，G是重力，τ是切应力.

能量守恒方程根据傅里叶导热定律和能量守恒原理，并引入剪切应力得到

式中CP为液相比热容.

3 有限元模型

本文采用ANSYS中FLOTRAN CFD分析模块，选用FLUID142单元建立三维流场模型［11］.根据回填式搅拌摩擦点焊的特点，焊接时只有袖筒附近的金属发生塑性流动，因此只取焊点周围尺寸为20 mm×20 mm的区域进行研究.在进行网格划分时，为了保证计算准确性的同时又尽可能减少计算量，采用非均匀网格划分［12］，在焊点中心附近的区域采用较密集的网格，远离焊点中心的区域采用较稀疏的网格，三维模型及网格划分如图2所示.

图2 有限元网格模型

4 边界条件

6082-T6铝合金在不同温度时的物理参数如表2所示.焊接过程中待焊工件的热量从两方面流失，即：一方面，点焊过程中产生的热量，使待焊工件与周围环境之间形成温度差，因此在待焊工件的各个表面上施加表面对流边界条件，对流换热系数为50 W/m2·K；另一方面，待焊工件底面与垫板之间及焊点区域与搅拌头间产生热传导，热传导系数为150 W/m2·K［13］.

表2 6082-T6铝合金在不同温度时的物理参数

本文在进行铝合金6082-T6回填式搅拌摩擦点焊流场模拟时，将所建模型除搅拌头作用区域外，其余各面节点施加各向为零的约束，同时采用有效粘性系数法将固相看成是流速几乎为零的液相［14］.当温度小于或等于固相温度时，设置一个较大的粘度系数，以确保固相区速度接近于零，粘塑性金属则给定实际粘度系数.具体实现方法是将金属的粘度设置为温度T的函数［11］，即

DENS=NOMINAL+COF2×（T-COF1）+

COF3×（T-COF1）2.

式中：NOMINAL为所定义流体性质的名义值；COF1为流体性质的名义值相对应的温度；COF2为流体性质随温度变化方程中的第一系数项；COF3为流体性质随温度变化方程中的第二系数项.

5 模拟结果与分析

5.1 回填式搅拌摩擦点焊的温度场分布

铝合金6082-T6回填式搅拌摩擦点焊t=3 s、t=6 s时焊点上表面的温度分布和焊点横截面处的温度分布如图3所示.可以看出，最高温度分布在铝合金表面袖筒1/2处，这是由于该区域相对于焊点中心位置搅拌头旋转的线速度较大，产生的热量较多；相对于焊点边缘位置不能进行有效的热传导，热量不易散失；焊接时的最高温度为376℃左右，小于铝合金6082-T6的固相线温度.

图3 不同时刻焊点处的温度分布（单位：℃）

5.2 回填式搅拌摩擦点焊的流场分布

回填式搅拌摩擦点焊焊接前3 s，袖筒下压，与被焊金属产生激烈的摩擦，同时搅拌针回抽形成空腔，在袖筒的挤压作用下使达到粘塑性状态的金属流入空腔，t=3 s时焊点上表面的流场速度矢量如图4所示，可以看出焊点区域粘塑性金属的流动方向与袖筒旋转方向一致，指向焊点中心；靠近袖筒内侧区域粘塑性金属流动速度最大，这是因为：由于空腔的存在及袖筒的挤压作用，高温高压的粘塑性金属被挤入空腔的过程中易达到最高流速；另外，焊点边缘的金属基本处于固体状态，在此处作相对运动的两流体层的接触面上，存在一对等值而反向的作用力来阻碍两相邻流体层作相对运动，因此，焊点边缘区域粘塑性金属的流动速度有所下降.

图4 t=3 s时焊点上表面的流场速度矢量图（单位：m/s）

回填式搅拌摩擦点焊焊接前3 s，焊点横切面处流场的速度矢量如图5所示.可以看出，在压力、摩擦力的联合作用下，焊点表面的粘塑性金属向下流动，沿“碗状”流线返回焊点中心表面.这个过程使袖筒与铝合金表面产生的摩擦热随流体不断的流向焊点根部，有助于增加搭接的被焊材料间的搅拌作用，使其充分混合，从而增加接头强度，这就是为什么回填式搅拌摩擦点焊尽管在焊点处无搅拌针的搅拌作用，被焊材料却能够被充分焊合的原因.回填式搅拌摩擦点焊焊接过程中，焊点中心的根部，即“碗底”区域的金属流动速度较小，这是由于带着大量热量的表面高温流体在流动过程中都避开了“碗底”，因此该区域的温度低，粘度大；另外，该区域的粘塑性流体受到袖筒的压力在水平方向上是等值的，这就限制了它只能在竖直方向上流动，因此其流速较小.

图5 t=3 s时横截面上的流场速度矢量图（单位：m/s）

焊接后3 s，袖筒上升，搅拌针下降，焊点横切面流场的速度矢量如图6所示，可以看出，焊合区的金属在焊点中心沿“碗状”流线斜向外向下流动，然后沿其边缘流向焊点表面，空腔内的粘塑性金属补充由于袖筒下压在被焊材料表面留下的压痕，使焊点更加平整，接头更加美观；同时，也使被焊材料间的混合更加充分.

图6 t=6 s时横截面上的流场的矢量图（单位：m/s）

6 模拟结果与实测结果对比

回填式搅拌摩擦点焊实际流场的测定采用元素示踪法，在搭接下板开尺寸为30 mm×20 mm× 0.5 mm的凹槽，加入平均直径为0.1 mm的Fe粉，然后用胶将铁粉均匀的填满凹槽，焊后对点焊接头取20 mm×15 mm×2 mm的试样，经过2000水磨砂纸磨光后，对试样进行进一步的抛光，目的是除去试样表面精磨留下的细磨纹，并去除形变扰乱层，当试样表面光滑、无划痕、表面光亮时，再用1%的HF进行接头腐蚀，最后进行光学显微镜分析，对所得图案进行拼接，观测Fe粉在整个点焊接头中的分布情况，焊点中心横切截面的接头形貌如图7所示.可以看出，回填式搅拌摩擦点焊接头形貌呈“碗状”分布，搅拌针区域向内凹陷，点焊接头截面上Fe粉在搅拌针下方区域分布较多，袖筒区域分布较少，这是因为粘塑性金属两次相反方向的流动使熔点较高，质量较大，处于固体状态下的Fe粉沉积在流动速度较小的“碗底”的结果.

图7 焊点横切截面的接头形貌

通过以上分析，可以看到，使用ANSYS软件模拟得到铝合金6082-T6回填式搅拌摩擦点焊三维流场的结果和实际试验测量所得照片中被焊材料的流向曲线吻合的较好，数值模拟的结果基本上反应了材料流动的大体走向，说明所建立的回填式搅拌摩擦点焊热-流耦合数值模型是合理的.

7 结 论

1）通过分析数值模拟结果，发现随着回填式搅拌摩擦点焊焊接过程的进行，铝合金6082-T6最高温度为376℃左右，分布在袖筒1/2处；最大速度为0.279 m/s，出现在铝合金上表面袖筒内侧区域.

2）通过分析焊点处流体流动的方式，发现在摩擦力和压力的联合作用下，焊合区内部的粘塑性金属从铝合金表面沿“碗状”路线流向焊点根部，再由焊点根部斜向上、向内流向搅拌头的空腔及边缘，该过程合理阐释了回填式搅拌摩擦点焊接头的连接机理.

3）通过对比试验结果与模拟结果，发现试验所得接头形貌照片即为模拟过程中塑性金属流动的最终结果，说明本文建立的回填式搅拌摩擦点焊三维热-流耦合数值模型是合理的，所采用的数值求解方法是正确的.

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（编辑 张积宾）

Heat-flow coupling analysis of 6082-T6 with refill friction stir spot welding

WANG Xijing1，XU Youwei1，WEI Wankui1，LUAN Guohong2

（1.State Key Laboratory of Ministry of Non-Ferrous Metals Advanced Processing and Reuse（Lanzhou University of Technology），Lanzhou 730050，China；2.Beijing Aeronautical Manufacturing Technology Research Institute China FSW Center，Beijing 100024，China）

To explain connection mechanism of refill friction stir spot welding，this paper based on the characteristics of refill friction stir spot welding welded 6082-T6 aluminum alloy，establishing a simplified heat input numerical model and using finite element analysis software ANSYS to simulate refill friction stir spot welding temperature field in the process of welding，then obtain the stress field through coupling.The results showed that：in the welding process，the highest temperature is located at 1/2 of sleeve and the fastest velocity of flow appeared on the surface of aluminum alloy and the inside of sleeve；compared the fluid flow stream lines of simulation and joint morphology of actual measurement，get the distribution of flow field.

three-dimensional heat-flow coupling model；refill friction stir spot welding；finite element simulation

TG402

A

1005-0299（2015）06-0120-05

10.11951/j.issn.1005-0299.20150622

2014-12-11.

国家科技重大专项（2012ZX04008011）.

王希靖，男，教授，博士生研究生导师.

许有伟，E-mail：xuyouwei_lot@163.com.