DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场研究

王希靖，许有伟，刘 勇，郁志勇

（兰州理工大学甘肃省有色金属新材料国家重点实验室，甘肃兰州730050）

DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场研究

王希靖，许有伟，刘 勇，郁志勇

（兰州理工大学甘肃省有色金属新材料国家重点实验室，甘肃兰州730050）

根据无匙孔搅拌摩擦点焊过程的特点，建立了简化的热输入数值模型，利用有限元分析软件ANSYS模拟1mm DP600镀锌钢板和3mm 6061铝合金板搭接无匙孔搅拌摩擦点焊过程中的瞬态温度场分布和各特征点的热循环曲线。通过模拟结果与热电偶测得的各特征点温度曲线的对比，发现随着焊接过程的进行，最高温度出现在DP600上表面轴肩2/3处；对比分析不同搅拌头转速下焊点区域温度分布的情况，得到转速对温度分布的影响规律，进而验证了热输入模型和模拟方法的正确性，为工艺实验参数的选取提供科学的依据。

温度场；有限元模拟；无匙孔搅拌摩擦点焊

0 前言

无匙孔搅拌摩擦点焊是一种新型的固相连接技术，被焊材料焊接变形小、能量消耗少、生产成本低，在异种金属焊接方面具有其他焊接方法无法比拟的优势[1-2]。它通过控制搅拌头与工件的相对移动和搅拌针与轴肩的相对运动，不仅增加了搅拌头的作用区域，提高了接头强度，而且使焊接过程中形成的退出孔得到填充，减少后续处理工序，应用前景广阔。

国内外学者对搅拌摩擦点焊的研究大多集中在同种材料或熔点相近的异种材料之间，对于DP600镀锌钢和6061铝合金这样熔点相差很大的异种金属间的搅拌摩擦点焊过程的热力学方面的理论和规律性研究却很少。本研究通过建立简化的热源模型[3-8]，利用有限元分析软件ANSYS对无匙孔搅拌摩擦点焊过程的三个阶段（插入阶段、搅拌与后退阶段、回抽阶段）的温度场进行了模拟，确定无匙孔搅拌摩擦点焊过程中DP600表面以及与6061界面处的温度分布和变化规律，为选取工艺实验参数提供科学依据。试验选用规格150 mm×50 mm×1 mm的DP600镀锌钢板（上层）和150 mm×50 mm×3 mm的6061铝合金板材（下层），搭接形式如图1所示。DP600镀锌钢板和6061铝合金的主要化学成分如表1和表2所示。

图1 工件搭接示意Fig.1Schematic of lap way

表1 试验用DP600镀锌钢板化学成分％Table 1Chemical compositions of 6061 aluminum ally

表2 试验用6061铝合金化学成分％Table 2Chemical compositions of 6061 aluminum ally

1 温度场热输入数值模型

根据无匙孔搅拌摩擦点焊焊接过程的特点，其生成热主要来源于三部分[9-10]：①轴肩端面与焊件上表面间的摩擦热；②搅拌针与焊件间的摩擦热；③搅拌针附近金属的塑性变形热。综合考虑每一部分的生成热十分困难，因此，本研究简化了热输入模型，即忽略焊接过程中焊件材料的变形热，焊接过程的全部热输入为轴肩和搅拌针与焊接材料的摩擦做功[11]。无匙孔搅拌摩擦点焊的搅拌头示意如图2所示。

图2 搅拌头示意Fig.2Stirring head schematic

1.1 轴肩与焊件表面的摩擦热输入

轴肩产热实际有效区域为R1与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[12-14]

式中μ为摩擦系数。对于搅拌摩擦焊过程来说，在搅拌头下压阶段，由于系统温度不高，在压力作用下，搅拌针与被焊材料之间偏向于挤压摩擦，此时宜采用库仑摩擦模型；随着搅拌针的逐渐压入，被焊材料的温度升高，尤其是轴肩接触到铝板之后，镀锌钢板的温度急剧上升，搅拌头与铝板之间逐步向剪切摩擦过渡，宜采用常应力摩擦模型[15]。

微圆环上轴肩旋转作用力矩为

轴肩旋转扭矩为

轴肩产热功率为

式中ω为搅拌头转速；P为轴肩端面上所受的轴向力。

1.2 搅拌针与焊件的摩擦热输入

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[12-14]

产热功率为

2 数值模拟过程

2.1 有限元模型

不考虑材料塑性变形对产热的影响，本研究在采用ANSYS有限元分析软件模拟时选用SOLID70单元[16]。SOLID70是八节点六面体单元，每个节点只有一个温度自由度并且能够进行热传导，满足计算要求。在建立有限元模型时，通过独立的设计焊点使两种金属只有在焊点处相连，其余搭接处只为相互接触，即在焊点处的热传导相当于在导体内部进行，而搭接处的热传导相当于在存在分离界面的导体间进行，从而更准确地逼近实际。在进行网格划分时，为了保证计算的准确性并尽可能减少计算量，采用了非均匀网格划分[17]，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，网格划分如图3所示。

图3 有限元网格模型Fig.3Finite element meshed model

2.2 初始条件、边界条件与热载荷

材料的热物理性能是影响温度场的重要因素。DP600镀锌钢板和6061铝合金的导热系数及比热容随温度的变化数值如表3、表4所示。

表3 DP600镀锌钢和6061铝合金在不同温度时的导热系数Table 3DP600 galvanized steel and 6061 aluminum alloy thermal conductivity at different temperatures

表4 DP600镀锌钢和6061铝合金比热容Table 4DP600 galvanized steel and 6061 aluminum alloy heat capacity at different temperatures

无匙孔搅拌摩擦点焊有限元模型的载荷分布如图4所示。轴肩端面与焊件接触面施加热流密度为已知的面载荷，搅拌针处为了避免节点奇异，将热输入定义为体载荷。在整个点焊过程中，待焊工件的热量会从两方面流失：（1）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，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30 W/（m2·K）；（2）待焊工件底面与垫板之间产生热传导，热传导系数为200 W/（m2·K）[18]。

图4 热源模型示意Fig.4Schematic of heat source model

3 模拟结果和分析

3.1 无匙孔搅拌摩擦点焊的温度场分布

搅拌头转速ω=1 200 r/min时不同点焊阶段对应的温度分布云图如图5所示。由图5可知，搅拌针回抽完毕阶段（t=16 s），整板的温度分布要高于搅拌和后退阶段（t=12 s）；随着点焊过程的进行，高温区域逐渐扩大，但最高温度一直位于轴肩2/3处，这是因为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；另外，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。

图5 ω=1 200 r/min时的温度分布云图Fig.5Temperature contours with ω=1 200 r/min

搅拌头转速1 200 r/min、焊接时间16 s时，焊点横向剖面的温度分布云图如图6所示。可以看出，界面处最高温度出现在轴肩作用区域前方2/3处；高温区域主要集中在DP600这一层，这是因为镀锌钢板为热源中心作用的位置，而且DP600的导热系数远小于6061的导热系数。高温区域集中在DP600有助于熔点较高的DP600更容易达到超塑性状态，使其具有更好的塑性流动性，从而增加搅拌头的搅拌效果，改善焊点成形。

图6 ω=1 200 r/min，t=16 s时焊点中心截面温度分布云图Fig.6Temperature contours of cross section of solder center at ω=1 200 r/min，t=16 s

3.2 不同转速下温度场的变化规律

在其他参数不变、搅拌头转速800～1 300 r/min时，DP600和6061峰值温度随转速的变化如图7所示。随着搅拌头转速的提升，DP600和6061的峰值温度都有所升高，但DP600温度的上升幅度要高于6061温度的上升幅度，即搅拌头转速的变化对DP600的影响要大于对6061的影响。同时，随着搅拌头转速的提升，旋转速度对温度场的影响作用减缓，温度变化增量减小。

图7 DP600和6061的峰值温度随转速的变化Fig.7Peak temperature of DP600 and 6061 changes with the rotation speed

无匙孔搅拌摩擦点焊焊接熔点相差较大的异种金属时，在保证熔点较低的金属不熔化的前提下，为了使熔点较高的金属具有更好的塑性流动性，提高搅拌头的搅拌效果和焊点的成形效果，应最大程度地提高熔点较高材料的焊接温度，即提高搅拌头的转速。由前述分析可知，当搅拌头转速大于1 200 r/min时，转速对焊接温度的影响已为次要因素；另外，考虑到搅拌头的旋转速度太大又易造成飞边和减薄量等缺陷，因此无匙孔搅拌摩擦点焊焊接DP600/6061时，搅拌头转速宜选为ω=1 200 r/min。

4 模拟结果与实测结果对比

对无匙孔搅拌摩擦点焊焊接过程中接头上的各特征点进行热循环曲线测量实验。实验用镍铬—镍硅K型热电偶分别测量不同特征点处温度随时间的变化情况。试验时从焊件底部钻直径为1.5 mm的小孔，先将热电偶一端用电容焊偶仪焊至待测小孔中及DP600上表面，再用树脂胶将小孔填满压实；另一端接至midi LOGGER GL220十通道温度记录仪。焊接时，记录仪记录测量点在不同转速下的时间—温度曲线。同时比较DP600和6061上表面在不同转速、不同特征点的模拟结果与实测数据，如表5所示，其中x表示该特征点距离焊点中心的位置。由表5可知，模拟结果与实测数据基本相符，表明所建立热源模型的精准度较高，从而验证了采用ANSYS软件对DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场计算方法的合理性。

5 结论

（1）通过数值模拟和实际测量无匙孔搅拌摩擦点焊过程中不同特征点的温度，发现随着点焊过程的进行，高温区域逐渐扩大，但最高温度一直处于DP600上表面轴肩2/3处。

表5 不同转速下模拟与实测的最高温度对比Table 5Contrast of maximum temperature of simulated and measured under different rotation speed ℃

（2）通过模拟DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场的数值，发现随着搅拌头旋转速度的升高，DP600和6061各自的峰值温度都有所提高，DP600峰值温度的上升幅度要高于6061峰值温度的上升幅度。但当搅拌头转速大于1200r/min时，搅拌头转速对温度场的影响作用减缓。

（3）分析无匙孔搅拌摩擦点焊的温度场分布发现，该方法在焊接异种金属时，通过合理的控制焊接参数，既能保证熔点较低的金属不熔化，又能使熔点较高的金属有较好的塑性流动性，从而有效减少焊接过程中缺陷的形成。

（4）对比不同搅拌头转速下无匙孔搅拌摩擦点焊过程中的模拟数据与实验结果，发现基本吻合，表明所建立热源模型的精准度较高，从而验证了无匙孔搅拌摩擦点焊温度场计算方法的合理性。

[1]Buffa G，Fratini L，Piacentini M.On the influence of tool path in friction stir spot welding of aluminum alloys[J].Journal of Materials Processing Technology，2008，208（1/3）：309-317.

[2]王希靖，赵钢，张忠科，等.镁-钢异种金属无匙孔搅拌摩擦点焊工艺的研究[J].热加工工艺，2012（17）：153-155.

[3]Hassanifard S，Ahmadi S R.Weld arrangement effect on the fatigue behavior of multi friction stir spot welded joints [J].Materials and Design，2013（44）：291-302.

[4]Hassanifard S，Mohammadpour M，Rashid H A.A novel method for improving fatigue life of friction stir spot using localized plasticity[J].Materials and Design，2014（53）：962-971.

[5]Pirizadeh M，Azdast T，Ahmadi S R.Friction stir welding of thermoplastics using a newly designed tool[J].Materials and Design，2014（54）：342-347.

[6]黄璞，杨善文，王炯，等.CLAM钢搅拌摩擦焊温度场有限元分析[J].精密成形工程，2013，5（3）：35-39.

[7]姜淑凤.7075铝合金搅拌摩擦焊温度场及应力场的数值模[J].铸造技术，2013，34（10）：1356-1359.

[8]万昕.铝/镁异种金属搅拌摩擦焊搭接温度场的研究[D].辽宁：大连交通大学，2012.

[9]Gould J E，Feng Z L.A heat flow model for friction stir welding of aluminum alloys[J].Journal of Materials Processing &Manufacturing Science，1998，7（2）：185-194.

[10]Jabbari M.Elucidating of rotation speed in friction stir welding of pure copper：Thermal modeling[J].Computational Materials Science，2014（81）：296-302.

[11]王大勇，冯吉才，王攀峰.搅拌摩擦焊接热输入数值模型[J].焊接学报，2005，26（3）：25-28，32.

[12]Song M，Kovacevic R.Thermal modeling of friction stir welding in a moving coordinate system and its validation[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture，2003，43（6）：605-615.

[13]CHAO Y J，QI X.Heat Transfer and Thermo-Mechanical Analysis of Friction Stir Joining of AA6061-T6 Plates[A]. 1st International Symposium on Friction Stir Welding[C]. California：Thousand Oaks，1999：14-16.

[14]CHAO Y J，LIU S.Temperature，Force and Power in Friction Stir[C].Ohio：Advanced Materials&Process，2003：9-12.

[15]杜岩峰，白景彬，田志杰，等.2219铝合金搅拌摩擦焊温度场的三维实体耦合数值模拟[J].焊接学报，2014，35（8）：57-60.

[16]张红松，胡仁喜，康士廷，等.ANSYS 12.0有限元分析从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2010.

[17]Samrand Rash Ahmadi，Soran Hassanifard，Masoud Mohammad Pour.Fatigue life prediction of friction stir spot welds based on cyclic strain range with hardness distribution and finite element analysis[J].Acta Mechanica，2012，223（4）：829-839.

[18]张志函，李文亚.搅拌工具与垫板对搅拌摩擦焊温度场影响的数值分析[J].航空制造技术，2013（4）：62-64.

Temperature field simulation of DP600/6061 with non-keyhole friction stir spot welding

WANG Xijing，XU Youwei，LIU Yong，YU Zhiyong
（State Key Laboratory of Gansu Advanced Nonferrous Metal Materials，Lanzhou University of Technology，Lanzhou 730050，China）

Based on the characteristics of non-keyhole friction stir spot welding process,a simplified heat input numerical model is established to simulate the transient temperature distribution and the thermal cycle curve of each feature point of 1 mm DP600 galvanized steel and 3 mm 6061 aluminum alloy by using the finite element analysis software ANSYS.Comparing the temperature of simulation and actual measurement，find the highest temperature appearing on the field of 2/3 of stirring head；comparing the distribution of temperature with different rotation speed，get the law of it.And then testify the correctness of the heat input models and the simulation methods，to provide scientific method to decide how to select craft parameters.

temperature field；finite element simulation；non-keyhole friction stir spot welding

TG402

A

1001－2303（2017）01－0096-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.01.18

献

王希靖，许有伟，刘勇，等.DP600/6061无匙孔搅拌摩擦点焊温度场研究[J].电焊机，2017，47（1）：96-100.

2015-11-03；

2016-11-28

国家自然科学基金项目（51265030）

王希靖（1956—），男，甘肃兰州人，教授，主要从事焊接设备及其自动化、搅拌摩擦焊技术及焊接质量控制方面的研究工作。