基于Ansys的FSW_CAF复合技术流程分析与评述

左都全 赵英杰 宋明成 宋渊明



基于Ansys的FSW_CAF复合技术流程分析与评述

左都全1，2赵英杰2宋明成2宋渊明2

（1．重庆三峡学院现代机械结构材料工程技术中心，重庆万州 404100）（2．重庆三峡学院机械工程学院，重庆万州 404100）

Ansys强大的应力应变与蠕变时效非线性分析功能为具有焊接结构的壁板模拟分析提供了平台，尤其是参数化设计APDL语言的应用为焊接模拟关键技术的实现提供了条件．本文尝试将搅拌摩擦焊（FSW）新工艺与蠕变时效成形（CAF）技术相结合，以2A12薄壁筋板为例，描述数字模型建立过程与残余应力模拟分析流程，探讨其成形过程及其实现方法，并对搅拌摩擦焊与时效成形相结合的工艺进行了展望，为后续深入研究ANSYS环境下的搅拌摩擦焊_蠕变时效构件进行相关数值模拟与残余应力分析提供理论基础和依据．

搅拌摩擦焊；时效成形；残余应力；回弹；ANSYS

1．引 言

当前，我国航空航天产品大量使用变形铝合金（如2A12，2A14、7050等），特别是大飞机项目成立后，为了满足轻型化、新型化和低成本的要求，铝合金整体壁板成形显得尤为突出．目前为止，已经发展出不同系列和品种的铝合金，如：航空航天类铝合金、装甲类铝合金、以铝基为主的复合材料等．对于铝合金整体壁板的焊接，传统方法是熔化焊工艺，该工艺是一种材料局部熔化和凝固的微冶炼过程．对于综合性能要求较高的铝合金材料，焊接工艺连接不同板材中不推荐甚至禁止使用熔焊[1]．近几年来，新型的固态焊接方法——搅拌摩擦焊在轻金属材料领域得到了快速发展和应用，其原因在于该法可以焊接所有系列的铝合金（如表1）．我国在该领域的研究虽然起步较晚，但是发展很快．目前许多研究机构，以及企业都已拓展了搅拌摩擦焊技术的研究领域，并将其用于钢材、合金等高熔点材料的焊接．

表1 不同系列铝合金材料可焊性对比

系列

100（AL）

2000（Cu）

5000（Mg）

6000（Si）

7000（Zn）

8000（Li）

熔焊

可焊

部分可焊

可焊

可焊

不可焊

不可焊

搅拌摩擦焊（FSW）

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

可焊

大型整体壁板成形技术是中国大飞机研制的另一核心关键制造技术[2]．近年来，时效成形作为一种用以成形整体壁板的有效工艺，渐渐在航空领域得到广泛的应用．将时效成形工艺引入到飞机结构部件的制备中，尤其是在机身薄壁板，飞机的上、下翼蒙皮，具有整体加强筋的复杂形状零件和采用FSW连接的更复杂、更大型的整体装配部件上[3]．开展将CAF工艺应用于FSW连接的整体筋壁板上的研究，不仅可以有效降低飞机壁板上的各种残余应力，在很大程度上还可大大降低零部件的生产制造成本．

搅拌摩擦焊连接的大型、复杂整体壁板件，长期在恶劣的环境下运行，其微观组织会发生长大、蠕变等现象，使得材料变脆和力学性能下降．目前，国外研究人员对壁板的搅拌摩擦焊焊缝处或蠕变时效模型研究大都集中在试验、损伤计算和微观组织的观察上[4]；国内展开了对搅拌摩擦焊焊接过程进行数值模拟分析（如：焊接温度场和流场模拟）以及适用于不同材料的焊接工具和工艺、焊接接头的性能及合理的结构设计等方面的研究[5]．随着搅拌摩擦焊在近几年的快速发展，在此基础上也生成了许多衍生技术，如复合热源搅拌摩擦焊接、搅拌摩擦点焊接等技术[6]．在此背景下，本论文阐述另一种衍生技术——搅拌摩擦焊_蠕变时效成形复合技术．目前国内尚未见到有关此技术应用于整体壁板成形中的报道．因此，及时开展对焊接壁板时效回弹预测和基于残余应力下的焊接对整体壁板蠕变影响有一定意义．

2 ANSYS环境下时效建模过程与回弹描述

2.1 弹塑性本构方程的建立

应力-应变关系曲线不仅反映了材料的变形应力随着变形条件而变化，也从宏观上反映了材料的性能与内部组织之间的内在联系．为了准确预测2A12铝合金的蠕变时效过程，首先必须确定的是在最佳温度下，描述该材料蠕变性能的应力应变关系——本构方程[7]．通过蠕变拉伸实验可获得应力与应变关系曲线，它描述了材料的真实应力、真实应变、真实应变速率与时效温度之间的关系，定量反映了变形应力和变形条件以及材料在微观组织上性能间的内在联系，是材料蠕变变形参数确定的基本依据[8]．而数值模拟的准确度与所建立的数学模型密切相关．所以，利用材料蠕变率相关特性，结合通用全局优化法的优化算法，拟合出应变率与蠕变时间最佳关系曲线是建立蠕变变形数字模型的关键．

蠕变变形是一个复杂的微观过程．描述蠕变过程的蠕变曲线通常被分为三个阶段，即：蠕变的减速阶段、蠕变的稳态阶段以及蠕变的加速阶段[9]．在有限元软件库中，针对不同阶段选择合适的本构模型，创建模型的假设，材料、荷载和变形载以及程序中的数值问题是否适合模型，是获得准确数据的关键[10]．在选择有限元蠕变模型时，根据陈化理论、时间硬化理论与应变强化理论等蠕变理论[11]，本文作了以下考虑：

（1）蠕变时效过程是在低应力作用下（低于屈服应力）成形的，对于非线性弹-塑性材料（图1），加载与卸载过程的研究有助于回弹的分析．为了准确预测成形件时效后的回弹量，展开对铝合金焊构件的弹塑性分析，选择出最佳分析方式．

（2）常用的本构关系有2种：唯象本构模型[12]与统计本构模型．对于工程上常用的一般合金，由于蠕变过程对温度和应变速率较敏感，而且其变形机制相对复杂，通常采用描述材料蠕变过程的方法是唯象本构模型．具体过程是：在实验中先测量一定的应变速率数据，然后测量一定温度范围内的流动应力数据，最后根据这些数据建立本构方程．

（3）蠕变变形过程中的稳态阶段，其蠕变速率是三个阶段中最小的，再加上该阶段的变形机制较为简单，因此稳态蠕变速率常常被用来衡量材料抗蠕变变形（加工硬化）的能力，而在以前的工程研究中，大多忽略了此阶段．因此，建立第一阶段与第二阶段的本构模型有着很大的工程意义[13]，不可忽视．下面以搅拌摩擦焊连接的2A12薄壁筋板件为例简以叙述其建模过程．

2.2 焊接单元的蠕变时效建模实例

使用有限元分析软件Ansys，结合上一步本构模型拟合出的蠕变常数项，根据下表2的模型参数建立如图2的有限元数字模型[14]289-328．该模型采用搅拌摩擦焊工艺将筋条与圆板连接，建模时应选择可变形焊接单元MPC184-WELD和具有蠕变特性用于模拟板材和加强筋的材料．

表2 有限元模拟模型主要参数

温度（℃）

时间（h）

凹模半径（R/mm）

压力（MPa）

板材尺寸（mm）

筋条宽*高（mm）

190

10

1 000

0.5

315*1.5

5*13

焊接壁板件蠕变时效待分析的内容较多，其中包括材料非线性问题的分析、几何非线性问题的分析等．为了在十分复杂的时效过程中，保证分析计算的准确性，在Ansys建立蠕变时效分析模型前，还需考虑多种材料特性和分析方法[15]：

（1）具有率相关蠕变变形行为的材料，会随时间的变化产生不可恢复的应变，但蠕变过程中的时间尺度跟率相关塑性相比，要大得多．

（2）蠕变分析过程中会出现塑性响应，而塑性具有非保守性与路径相关性．荷载施加的顺序，以及什么时候发生塑性响应会影响最终结果．建议方法：把荷载处理成一系列的小增量荷载步或时间步．

（3）塑性准则的选取能够准确反映材料变形方向和应力状态与屈服点之间的关系．

（4）Ansys使用隐式和显式积分二种方法来进行蠕变分析．

本例根据所研究材料在弹-塑性和蠕变的双重特性作用下，选择具有包辛格效应的双线性随动强化（BKIN）材料，采用Von Misses屈服准则，选择隐式积分方法，构建具有第一阶段和第二阶段的蠕变方程，分析非线性材料的蠕变行为，为进行后面回弹预测研究打下了基础．

2.3 时效回弹分析描述

蠕变时效过程分为：弹性加载、蠕变及弹性回弹3个阶段[16]．对不同阶段等效应力及等效蠕变分布情况进行分析．利用自行研制的集加热系统与成形模具于一体的蠕变时效成形装置（如图3），采用等尺寸的模具及板料在相同的工艺条件下进行试验验证，以回弹后零件拱高作比较，根据下述公式（1）可计算出相对误差，并与工程允许的误差范围进行比较[17]．

Ɛ=100%×（-ɤ）/ （1）

其中，：相对误差，模拟值，回弹值，试验值

采用上述方法建立的蠕变本构方程及有限元焊构件数字模型，对模具进行过弯量的设计与回弹补偿，精确制造出适合大飞机用的整体壁板具有十分重要的指导性作用．

图1 时效成形过程的应力应变路径

图3 气压工装整体实物图

3 Ansys环境下的FSW残余应力分析流程

搅拌摩擦焊接是一个非常复杂的过程，同时经历热耦合和机械搅拌双重作用．蠕变时效对材料成形精度要求高的复杂零件极其有效．若想揭示搅拌摩擦焊接处产生的残余应力对蠕变影响的机理，必须要深入了解基于ANSYS的耦合结构分析原理、建模过程、生死单元技术及其热源数学模型的建立[18]．在蠕变时效处理后的焊接金属材料上展开残余内应力分析，可以对焊接后材料的残余应力-应变分布和蠕变损伤分布进行准确的预测，从而减少焊接结构的力学性能带来的负面影响．为更好地了解搅拌摩擦焊接蠕变时效复合工艺的残余应力分布和焊接壁板的力学性能，准确研究残余应力对焊接壁板的蠕变影响程度，选取高温用焊接壁板残余应力作用下的蠕变时效行为进行有限元模拟[19]，并与无焊接残余应力状态下的蠕变时效情况进行比较．在此，以上面的实例为例，进行热-应力建模及残余应力分析流程阐述．

3.1 热源模型选取

在进行热分析之前，必须正确选取适合研究的热输入数学模型[20]．由于搅拌摩擦焊接比较新，有关计算模型的研究很少．Mcclure[21]等采用古典的Rosenthal解析方法很好地将移动的点热源和线热源作为了热源的输入对象．Russell等人为了分析FSW焊接的产热过程，在摩擦焊接的基础上，采用了现有的移动热源的数字分析方法进行了模拟[22]．实际上FSW的热源一部分来自旋转工具在工件上运动而产生的摩擦热，另一部分热来自于搅拌针的侧面和旋转的销子周围的金属塑性变形，其过程如图（4）．

在此，针对三维的搅拌摩擦焊接产生的残余应力对蠕变时效的影响为重点，可以将此模型分析分为两部分，即：传热分析和焊接过程中的蠕变应力分析[23]．为了研究残余应力对蠕变的影响，结合旋转工具与工件表面的摩擦是主要的，且认为热流的热传导是唯一的传热方式．基于此，可以选择Yuh J.Chao和XinhaiQ建立的热源模型进行试验[24]．

3.2 Ansys焊后残余应力分析方法选取

目前，针对时效处理的铝合金焊接材料热分析研究主要方法有二[25]：一是试验方法，采用应力释放法和无损检测法来测定残余应力；二是建立了蠕变时效后的数学模型进行热-应力顺序耦合分析，获得搅拌摩擦焊接的残余应力分布云图．虽然有限元数值模拟分析方法简单且实用，但其模拟结果的准确程度与所使用的本构方程密切相关．对于数字模型热应力的分析方法，ANSYS软件库中提供了三种：

（1）在静力学模块中进行结构应力分析时，可直接定义节点的温度．当所有的节点温度为已知的定值时，可以直接使用命令BFE、BF或KBF来定义温度．使用命令时，需要注意的是：在应力分析过程中，节点温度不是节点自由度，而是作为体载荷使用．

（2）间接法．首先是进行热分析，其次在结构应力分析模块中，以体温表载荷的形式施加在将第一步热分析求得的节点温度上．

（3）直接法．通过耦合单元直接得到热分析与结构分析两个结果，需要注意的是耦合单元必须同时具有位移自由度和温度两个参数．

3.3 建立残余应力数字模型的过程描述

将上述热分析计算结果编写在弹-塑性应力应变分析的APDL程序上，即可模拟分析薄壁筋板焊构件沿焊缝径向的温度分布，同时求解焊缝沿径向和周向的残余应力分布情况，以及残余应力对蠕变变形的影响．结合上面的描述，本文选取间接法残余应力分析为例，归纳出焊接残余应力间接的计算流程图（图5）．具体建模流程如下：

（1）建立带筋壁板的有限元模型，展开稳态模块的热分析，而后的处理中可观察到沿径向分布的温度变化情况．

（2）将数字模型中的热单元类型用与之相对应的具有蠕变参数的结构分析单元类型取代，建立力学参考库，读入不同时间时，各节点上以体载荷的方式施加到数字模型中的温度载荷，然后定义合理的边界约束条件，最后进行结构蠕变非线性求解．

（3）利用通用后处理器POST1根据需要定义路径，观察并分析整个结构沿径向和周向的应力大小及分布情况．

综上所述，搅拌摩擦焊接是一项固相连接技术，在铝合金航空制造领域有广阔的应用前景．本文在介绍搅拌摩擦焊接工艺特点及结合蠕变时效技术典型应用的基础上，阐述了当前铝合金航空制造中存在的问题及解决方法．可得到以下结论：

（1）针对目前大型整体壁板在航空航天业的发展趋势，开展将CAF与FSW相结合的技术应用于整体带筋壁板的成形中，具有极大的理论研究价值与实际应用前景．

（2）回弹是整体带筋壁板蠕变时效成形中的瓶颈问题．研究CAF整体带筋壁板的有限元模拟分析方法，建立准确预测并降低带筋壁板件时效成形后回弹的蠕变本构方程，为该技术的进一步工程化应用奠定必要的技术基础．

（3）在ANSYS分析平台上，其焊后残余内应力计算流程，可用APDL语言编程实现．

（4）利用热-结构顺序耦合法建立的分析模型，可模拟焊接-蠕变时效带筋壁板的残余应力分布，并可与无焊接带筋壁板产生的残余应力的蠕变时效情况对比，比较FSW与铣削两种工艺的优劣．

（5）该数值模拟方法的应用可以避免盲目的试验，对于节约成本、缩短成形件的研发周期、优化产品的回弹参数与减少蠕变损伤程度具有很好的指导意义和参考价值．

大型整体带筋壁板的生产制造是大飞机研制过程中的关键问题．FSW技术与CAF技术的结合是一种有效且崭新的成形方法．目前为止，国内在此方面的研究甚少，几乎还属空白．针对全文描述，就回弹与残余应力而言，应从以下方面进行深入研究：材料的蠕变本构模型、材料蠕变时效后的性能、材料在时效成形过程中以及回弹后的有限元模拟分析、焊接单元连接、生死单元、热源数学模型、热力学性能以及热-应力场耦合过程模拟．

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（责任编辑：于开红）

An ANSYS-based FSW component for process analysis and state of aging forming

ZUO Duquan1,2ZHAO Yingjie2SONG Mingcheng2SONG Yuanming2

The powerful analysis functions of residual stress and nonlinear creep aging in ANSYS provide a platform for welding simulation analysis, especially on the application of parametric design based on APDL language, it provides a condition for the realization of key welding simulation technology. This paper attempts to combine the new friction stirring welding (FSW) process and age forming (CAF) technology and takes 2A12 thin-rib plate as an example, describes building process of digital model and analysis process of residual stress simulation on the welding components based on the ANSYS environment. Moreover, its forming process and realization method are explored and analyzed. And the combination process of FSW and aging forming are prospected, and provides a theoretical basis for the deeply subsequent study on the numerical simulation and residual stress analysis of combining FSW and age forming under the environment of ANSYS.

friction stirring welding; aging forming; residual stress; spring-back; ANSYS

TG156.1

A

1009-8135（2016）03-0097-06

2016-01-02

左都全（1986-），男，四川绵阳人，重庆三峡学院教师，主要研究数字化设计制造及金属材料成形．