半固态搅拌摩擦焊温度场分析及组织验证

姬书得， 温泉， 马琳， 岳玉梅， 杨鹏， 吕赞

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学院， 辽宁，沈阳 110136)



半固态搅拌摩擦焊温度场分析及组织验证

姬书得， 温泉， 马琳， 岳玉梅， 杨鹏， 吕赞

(沈阳航空航天大学 航空航天工程学院， 辽宁，沈阳 110136)

为避免由材料流动不足而导致的焊接缺陷以及降低焊接过程中的作用力，提出了半固态搅拌摩擦焊. 本文以2024-T3铝合金为研究对象，进行了焊接过程中温度及显微组织分析. 温度的模拟及测量结果表明：当搅拌头的旋转速度为1 600 r·min-1、焊接速度为150 mm/min时，稳态时焊核区的温度峰值达到了518 ℃，超过了焊材的固相线. 空冷条件下常规搅拌摩擦焊与水冷条件下的半固态搅拌摩擦焊焊核区的显微组织对比结果表明，利用搅拌头摩擦产热的方法可使搅拌区呈现液态金属母液中均匀悬浮着近似球形晶粒的半固态组织.

半固态搅拌摩擦焊；2024-T3铝合金；温度峰值；数值模拟；半固态组织

半固态加工技术(semisolid processing，SSP)是David Spencer[1]于20世纪70年代初提出的新型金属加工技术，已经在汽车领域得到了工业化的应用. 半固态连接是在半固态加工技术的基础上发展而来，它是将金属在固液温度区间内进行连接的方法. 而半固态搅拌焊是半固态连接技术的一个研究热点[2-3]. Hosseini等[2]在两块AZ91镁合金板的搅拌区域放置Mg-25%Zn中间层，采用加热方式使中间层达到半固态，采用搅拌头搅拌中间层，成功连接了两块AZ91镁合金. Alvani等[3]使用高温氮气加热试件使其达到半固态，通过机械搅拌的方法连接了A356铝合金. 以上研究的共同点是通过辅助加热使待焊材料处在半固态，然后利用机械搅拌进行连接.

搅拌摩擦焊(friction stir welding， FSW)是一种新兴的固相连接技术. 众多学者的研究重点是如何调节焊接工艺参数与搅拌头形状参数，既保证搅拌区材料温度低于固相线以防止过度软化及类似熔化焊缺陷的产生，又使材料具有良好的塑性流动状态，以实现高质量的连接[4-5]. Hamilton等[4]的研究表明，当FSW的温度为材料固相线70%～90%时可获得高质量的焊接接头. 与其相悖，本文提出了半固态搅拌摩擦焊(semisolid friction stir welding，SSFSW).

与以往的半固态搅拌焊相比，SSFSW过程中无辅助加热，利用搅拌头和板材间的摩擦热使待焊材料达到半固态. 与常规FSW相比[6-7]，SSFSW具有独特的优势：SSFSW的焊接温度高于金属固相线，待焊材料处于流动性更好的半固相[8]，有利于避免在常规FSW过程由于材料流动不足而产生的隧道、孔洞、沟槽等缺陷[9]；液相的存在还使搅拌头与焊接材料之间的旋转扭矩与前进阻力减小，降低对焊接工装的要求；SSFSW的较高温度使得原子的扩散能力增强，对于不易形成金属间化合物的异种材料的连接是有利的. 因此，SSFSW具有重要的研究意义，在FSW领域具有一定的前瞻性和应用潜力. 本文以2024-T3铝合金为研究对象，利用温度场与显微组织的研究说明了利用搅拌与摩擦的思路能实现SSFSW的连接.

1 SSFSW焊接过程原理

与常规FSW类似，在焊接过程中，搅拌头高速旋转，在轴向压力作用下，搅拌针插入试件，轴肩紧密接触试件表面. 由于采用较高的旋转速度和较低的焊接速度，因此搅拌头与试件间的摩擦产热效率较高，使得轴肩和搅拌针周围金属温度超过其固相线，金属开始熔化，搅拌区域形成固相和液相共存的“半固态”组织. 随着焊接过程的进行，搅拌头沿连接界面向前移动，半固态材料流动到搅拌针的后方. 半固态材料在逐渐冷却凝固过程中受到轴肩施加的顶锻力，形成致密的焊接接头，从而实现SSFSW的连接.

2 SSFSW焊接过程的有限元模型

2.1 模型的网格划分

本文运用ABAQUS/Standard有限元软件对SSFSW过程中温度场进行模拟. 模拟中焊板尺寸与实验所用的相同，均是300 mm×75 mm×3 mm. 本文选择8节点6面体的DC3D8单元，组成该单元的每个节点具有一个温度自由度，可以用于三维稳态或瞬态热分析. 在SSFSW过程中，整个焊件加热不均匀，搅拌区域温度变化剧烈，远离焊缝处温度变化平缓. 为了兼顾较高的计算准确性和合理的计算时间，本文采用非均匀划分网格法. 采用尺寸为0.5 mm的小网格细划焊缝；离焊缝越远处，网格划分越稀疏，如图2所示.

2.2 焊接过程的热源模型与热传导

本文提出的SSFSW与常规FSW的工作原理相同，其区别主要在于焊接过程中的温度峰值不同. 因此，适用于常规FSW的热源模型亦适用于SSFSW. 为了实现SSFSW，焊接的温度峰值需高于待焊材料的固相线，因此，可采用高转速及低焊速的组合来进行研究[10]. 本模拟采用的焊接工艺参数如下：旋转速度为1 600 r·min-1及焊接速度为150 mm/min.

与常规FSW相同，SSFSW过程中的热量主要是由组成搅拌头的轴肩与搅拌针摩擦试件产生. 本文采用清华大学李红克等[11]提出的热源模型. 模型中将锥形搅拌针简化为圆柱形，同时忽略焊接过程中只占很少量的塑性变形产热.

轴肩产热公式

经济较发达地区尚且能够支持科研和技术引进，而我地在动物养殖和防疫方面的技术发展比较缓慢，加上部分养殖户对防疫的轻视和不配合，使得动物疫病的爆发和传播有了沃土。

(1)

式中:QS为轴肩输入的热量；R0为轴肩外径；r0为搅拌针直径；ReL(T)为材料的屈服强度；ω为搅拌头的角速度.

搅拌针产热公式

(2)

式中QP为搅拌针输入的热量.

在模拟过程中，将轴肩的热源视为直径为14 mm的圆面热源，搅拌针热源视为直径为4.6 mm，长为2.7 mm的圆柱体热源. 通过式(1)(2)可计算出热流密度，进而利用ABAQUS中的DFLUX 子程序添加到温度场分析模型中，得到焊接温度场.

本文在直角坐标系中建立模型. 在SSFSW过程中，搅拌头以一定的焊接速度沿焊缝运动，其温度场的模拟属于复杂非线性的瞬态热传导问题，微分方程如下

(3)

式中：ρ为材料密度；c为比热容；λ为导热系数；q为热源的热流密度；t为某一时刻；T为温度.

2.3 材料参数与散热边界条件

由于SSFSW温度场的模拟属于非线性的瞬态热分析，因此随温度变化的材料物理属性对模拟结果的准确性有着重要影响. 由于密度随温度的变化较小，因此，这里取定值2 770 kg/m3. 图3、图4分别给出了2024-T3铝合金的热导率、比热以及屈服强度随温度的变化关系.

本文假定试件的初始温度与周围环境相同均为20 ℃. 对未考虑/考虑工装散热两种条件下的温度场进行了误差分析，详见下文.

3 mm厚的试件为薄壁件，且铝合金具有较高的热传导，这使得模拟中考虑垫板和压板造成的热损失尤为重要. 因此，模型根据实际焊接条件设定散热边界条件，充分考虑了试件与钢制压板和垫板之间的热传导. 在常温常压下，钢与铝的热传导系数分别为45.4 W/(m2·℃)，铝203.5 W/(m2·℃)，因此铝合金与钢之间的接触热传导系数介于45.5～203.5 W/(m2·℃)之间. 基于测温试验结果，反复调试，最终将试件与工装之间的接触散热系数设为200 W/(m2·℃). 同时，对暴露在空气中的所有自由表面对流散热系数设为25 W/(m2·℃)，辐射率设为0.75. 图5为试件模拟分析的散热边界条件.

3 SSFSW温度场分析及组织验证

3.1 未考虑工装散热下的误差分析

为了说明不同散热条件下温度场模拟结果引起的误差，进行了镍铬-镍硅热电偶测温试验. 试件的尺寸、搅拌头尺寸及焊接工艺参数均与数值模拟的相同. 测温点到试件焊接起始端的距离为100 mm，且到焊缝中心线的距离为10 mm.

测温点的温度循环曲线与仅考虑空气对流和热辐射的情况下得到的模拟曲线间的关系如图6所示. 由于未考虑焊件与工装间的热传导造成的快速热损失，在模拟过程中焊件上的热积累与实际情况的差距将越来越大，使着温度峰值的差值变大；典型位置的温度实测峰值为632.13 K，模拟温度峰值为674.13 K，两者的误差为11.69%.

3.2 考虑工装散热下的温度场分析

SSFSW过程中某时刻的温度场如图7所示，其中热源中心距离试件一端的距离为100 mm. 通过分析可知，与其它焊接方法的温度场分布规律类似，焊接温度峰值位于与搅拌头直接接触的区域，且随到搅拌头中心距离的增加温度逐渐降低；由于轴肩的直径大于搅拌针的直径，因此，试件上表面的高温区域的宽度大于焊件下表面，在横截面上的温度分布规律类似于碗状(图8). 另外，在焊接过程中，搅拌头后方的材料先后经历了搅拌头的直接作用加热以及后续的热传导加热，而搅拌头前方的材料只经历热传导加热. 因此，搅拌头后方的温度梯度远小于前方的温度梯度(图7).

在考虑工装散热情况下，试验测温曲线与数值模拟的温度循环曲线的关系如图9所示.

通过分析可知，温度的实测曲线与模拟曲线随时间的变化趋势相同，均经历了迅速升温及缓慢降温的过程；测温试验所得最高的温度为632.13 K，模拟得到的最高温度为638.13 K，两者的误差为1.67%. 另外，在降温过程中模拟温度值与实测温度值有一定偏差，这可能是由在模拟过程中设置的接触散热系数偏小所造成的；由于加热瞬间完成，散热系数大小的差异对模拟结果的影响非常小，导致在加热过程中的两曲线误差较小. 同时，对比分析图6与图9可知，不考虑工装散热下的温度在焊后的散热过程更加缓慢. 综上分析可知，在模拟过程需要考虑试件与垫板间的接触散热以实现准确地描述焊接过程的温度场.

对于SSFSW来说，搅拌区的温度很难用热电偶的实测方法获得，因此本文在利用测温试验验证有限元模型合理性的基础上，研究了焊缝中心线上的温度随焊接时间的变化关系，如图10所示. 结合图7可知，焊缝中心线上的温度随着焊接过程的进行呈现先增加后减小的规律，并在搅拌头移动到该位置时出现温度峰值. 当搅拌头的旋转速度为1 600 r·min-1及焊接速度为150 mm/min时，温度峰值为791.13 K，处在2024-T3铝合金的固液相温度区间775.13～911.13 K内. 因此，在模拟用工艺条件下，搅拌区域的金属处于半固态. 这说明利用搅拌头的摩擦热加热焊材的方法可实现SSFSW的连接.

3.3 基于显微组织的验证

徐俊[12]研究发现，冷却速度越大，初生相结晶时过冷度就越大，初生相形核率越高，初生相尺寸越小. 因此，使用快速冷却方法有利于固定高温瞬态组织结构，进而得到固液相区分较为明显的半固态显微组织. 基于文献报导，对半固态和常规固态搅拌摩擦焊接后的接头经磨制、抛光、腐蚀后，在金相显微镜下进行组织观察，如图11所示. 其中A代表液相，B代表固相晶粒，制备焊接接头的工艺条件与测温试验的相同；为了获得半固态下的组织形态，试验过程采用了水冷.

对比图11(a)和11(b)发现，在SSFSW接头显微组织中，晶粒与晶粒之间是液相A，液相充满晶粒间空间，将晶粒彼此分开，这有利于增加在焊接过程中的材料流动性能. 同时，半固态焊缝晶粒组织更趋近于球形组织. 这是因为高的旋转速度使得搅拌头在单位时间内的旋转圈数增多，而液相的存在使悬浮在其中的固相晶粒更易产生移动，两者共同作用增加了晶粒之间发生碰撞的机率和次数，有利于晶粒转变成球状. 事实上，在传统制备半固态浆料的过程中也常常用搅拌方法得到晶粒尺寸细小、圆整度高的半固态组织. 因此，SSFSW接头焊核区的组织属于典型的半固态金属组织，进一步说明利用搅拌摩擦技术实现了2024-T3铝合金的SSFSW连接.

4 结 论

① 提出了半固态搅拌摩擦焊. 温度场的数值模拟与实测验证表明：当转速为1 600 r·min-1、焊接速度为150 mm/min时，稳态时的焊接温度峰值为791.13 K，比2024-T3铝合金的固相线(775.13 K)高289.13 K.

② 未考虑/考虑工装与试板间的接触散热时，模拟与实测误差分别为11.69%和1.67%，说明模拟过程中是否考虑这种接触散热对数值模拟的可信度影响较大.

③ 水介质快速冷却焊核区的金相照片证实：焊接中确实存在近球形固相晶粒与液相共存的半固态组织形态.

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[3] Alvani S M J， Aashuri H， Kokabi A， et al. Semisolid joining of aluminum A356 alloy by partial remelting and mechanical stirring[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2010，20 (9):1792-1798．

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Wang Guowei， Wu Ruizhi. Semi-solid rheocasting and performance of Al-6.5% Mg alloy[J]. The Chinese Journal of Nonferrous Metals， 2012，22(1):33-38. (in Chinese)

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Li Hongke， Shi Qingyu， Zhao Haiyan， et al. Auto adapting heat source model for numerical analysis of friction stir welding[J]. Transactions of the China Welding Institution， 2006，27(11):81-85. (in Chinese)

[12] 徐俊.半固态成形铝合金材料研究[D].北京：北京有色金属研究总院，2005．

Xu Jun. Investigation of the aluminum alloy for semisolid processing[D]. Beijing: General Research Institute for Nonferrous Metals， 2005. (in Chinese)

(责任编辑：李兵)

Temperature Analysis and Microstructure Verification of Semisolid Friction Stir Welding

JI Shu-de， WEN Quan， MA Lin， YUE Yu-mei， YANG Peng， LÜ Zan

(Faculty of Aerospace Engineering， Shenyang Aerospace University， Shenyang，Liaoning 110136，China)

In order to avoid welding defects resulting from the insufficient material flow and reduce the force during the welding process， semisolid friction stir welding (SSFSW) was put forward. Choosing 2024-T3 Al alloy as research object， the temperature and the microstructure were investigated. The results of temperature by numerical simulation and experiment show that at the rotational velocity of 1 600 r·min-1and the welding speed of 150 mm/min， the peak temperature of materials in weld reaches 518 ℃ and excels the maximum temperature in solid state. Compared with the microstructure in weld zone of conventional friction stir welding joint under air cooling， the results of SSFSW joint under the water cooling show that the microstructure in weld zone is semisolid in which the grains tend to be globule and suspend in liquid.

semisolid friction stir welding; 2024-T3 Al alloy; peak temperature; numerical simulation; semisolid microstructure

2014-11-03

国家自然科学基金资助项目(51204111)；辽宁省自然科学基金资助项目(2013024004，2014024008)；辽宁省科技厅资助项目(2013222007)

姬书得(1977—)，男，博士，副教授，E-mail:superjsd@163.com.

TG 453

A

1001-0645(2016)02-0209-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.02.020