锂电池包箱体用7003铝合金FSW焊接工艺的仿真及其性能分析

毛 成 文朝晖 高平平 潘 云 陈 磊 陈 爽 孙小刚 吴安如

1.三一重工股份有限公司泵送研究院湖南 长沙 410090

2. 湖南工程学院湖南省汽车动力与传动系统重点实验室湖南 湘潭 411104

3. 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院广东 广州 511434

1 研究背景

搅拌摩擦焊（friction stir welding，FSW）是一种固相连接工艺[1]，1991年由英国焊接研究所创造[2]。FSW是铝及铝合金、镁合金、铜合金、锌合金等材料的同种或异种焊接常用工艺，广泛应用于航天筒体结构件、航空薄壁结构件、船舶宽幅带筋板、高速列车车体结构件、大厚度雷达面板、汽车轮毂、集装箱型材壁板、各种结构散热器及热沉器等[3-7]。此焊接过程中材料不会发生熔化，因而可以避免因金属熔化产生的焊接裂纹、气孔等缺陷[8]。利用高速旋转的焊具与工件之间摩擦产生的热量使被焊的材料局部熔化，当焊头沿着设定好的焊接路径行进时，焊头的转动摩擦力会使被塑性化的材料由焊头的前部流向后面，并在焊具的挤压下形成致密的固相焊缝。焊接原理图如图1所示[8]。

20 世纪 70 年代以来，模拟仿真技术在焊接上的应用得到大量的研究，并取得了一系列的成果。例如，日本的熊新雄教授致力于热弹塑性焊接研究，创立了“计算焊接力学”这一新学科，并发表了焊接力学专著。焊接模拟仿真技术主要的研究对象是焊接热循环过程、母材与焊缝的冶金过程、焊后的变形和残余应力。对于焊接热循环的分析主要包括焊坡口形式、焊接热源的种类（即焊接方法）及其结构尺寸、材料的热物理性能变化、焊接工艺的选择和边界条件的确定等。有些学者从事焊接过程的数值分析研究，发现当电流为高斯分布时的电弧压力场分布规律，随后建立了电弧传热传质模型。《焊接热过程与熔池形态》著作的出现，标志着焊接过程数值分析基本完善[9-11]。

现在，焊接数值模拟技术已有很大的突破，模拟技术基本能展现焊接时的各个方面，如焊接热循环、焊缝与母材的相变、熔池流动力学、焊后变形和残余应力等，为焊接过程的仿真研究奠定了基础。同时，焊接数值模拟软件的集成化、专业化、工程化使软件操作更加简便，仿真结果准确性更高。为降低焊接时的工艺损耗，本课题组拟采用有限元软件SYSWELD模拟锂电池包箱体用7003铝合金挤压板材的FSW焊接工艺，并从仿真准确度和材料性能两个方面对模拟结果与实际焊接结果进行对比，以期为焊接仿真分析提供参考。

2 实验

2.1 材料和仪器

7003铝合金挤压板材：厚度为1.5 mm，其具体化学成分如表1所示。

光学显微镜，DMI2500M，德国徕卡公司；扫描电子显微镜，JSM 6360-LV型，日本电子株式会社。

2.2 仿真实验

7003铝合金挤压板材的网格模型如图2所示。仿真时，设置室温为25 ℃，7003铝合金成分见表1。7003铝合金FSW焊为一条焊缝，因而只需创建焊接路径的原始曲线和辅助曲线（如图3所示），并将焊接路径载入SYSWELD软件中。图中z轴为焊接方向，y轴为搅拌头进入工件方向，x轴为焊缝宽度方向。

FSW的热源是平面热源与体热源的结合，因此本仿真采用 SYSWELD软件中的3D热源模型，如图4所示。与一般平面热源模型相比，3D热源模型在平面热源的基础上还考虑了深度方向上的能量吸收，所以7003铝合金挤压板材的FSW仿真用3D热源模型能够获得更为精准的模拟结果。

在SYSWELD软件中，先设置焊接轨迹参数，包括焊接线、参考线、起始点、终止点、起始时间、焊接速度，并选择所创建的热源。接着确定环境温度、热交换模型、加载压力函数。最后将装夹点进行刚性固定，通过计算得到相关数据（如温度场、应力场等）及其相应的结果图（曲线、动画等）。将应力场和温度场数据导入Visual-Environment软件，截取图像，进行数值比对分析。

2.3 材料性能测试

根据仿真结果设定焊接工艺。焊接完成后进行固溶490 ℃/3 h和人工时效180 ℃/12 h热处理工序。用光学显微镜观察焊接头的金相组织，用扫描电子显微镜观察断口。拉伸试样尺寸如图5所示。经加工后的试样需用320#、800#、1000#、1500#、2000#砂纸打磨光滑，保证试样表面光滑和无明显划痕。

3 实验结果与分析

根据调控模拟参数获得理想的焊接工艺。仿真时其他条件不变，焊接热输入公式为[11-13]

式中：Q为焊接热输入量，J/mm；

U为电弧电压，V；

I为焊接电流，A；

v为焊接速度，mm/s；

η为电弧的功率系数。

从上式可知，焊接速度和热输入量成反比。查阅用于铝合金薄板的FSW焊接速度与转速设置的相关资料，本文将搅拌头转速设为2 100 r/min，焊接速度分别设为2, 3, 4 mm/s。具体参数设置如表2所示。

表2 FSW焊接前进速度参数设置Table 2 Selection of FSW welding speed parameters

模拟结果图均为中间时刻的温度场和应力场。3组参数下焊缝中心区域的温度分布图和应力图如图6～8所示。

由图6可知，当转速为2 100 r/min，焊接速度为2 mm/s时，焊接热输入量过大，焊缝区域温度在390℃以上，这易导致焊缝组织晶粒粗大，焊接接头质量降低。因此，需进一步优化焊接参数。

由图7可知，当转速为2 100 r/min，焊接速度为3 mm/s时，母材温度场分布稳定，且从焊缝截面图可以看出，焊接深度足够，焊接热影响区小，焊接残余应力最大区域在装夹点附近，其残余应力较小，但此处应力集中，这是由于刚性约束造成的。从母材整体来看，焊后残余应力很小。故第2组参数能够获得较好组织与性能。

由图8可知，当转速为2 100 r/min，焊接速度为4 mm/s时，焊接速度过快导致热输入量明显不够，焊缝区没有达到母材的热塑性温度，使焊缝区出现未焊透等缺陷，焊接接头质量降低。

进一步分析搅拌头转速对组织的影响。在其他条件不变的情况下，焊接速度为3 mm/s，转速分别为1 600, 2 100, 2 500 r/min。具体参数设置见表3。

表3 FSW焊接搅拌头转速的选择Table 3 Selection of rotational speed of FSW welding stirring head

第4组和第5组参数下焊缝中心区的温度分布图和应力图如图9～10所示。第2组见图7。

由图9可知，转速为1 600 r/min时，在母材的厚度方向，焊缝中心温度过低，为290 ℃，母材的热塑性变形深度不够，焊缝区热塑性金属流动性变差，这容易产生未焊透、空隙等焊接缺陷。故焊接速度为3 mm/s、转速为1 600 r/min不符合要求。

由图10可知，当转速为2 500 r/min时，焊接温度场分布稳定，焊后整体的残余应力值小。从搅拌作用分析，在转速为2 500 r/min下，FSW对焊缝热塑性区域的搅拌作用比转速为2 100 r/min下的强，因而此情况下更不容易产生焊接缺陷。焊接速度为3 mm/s、转速为2 500 r/m的参数设置虽然符合要求，但此时能耗较高，搅拌头的使用寿命会降低。

综上所述，FSW的第2组参数设置最好。因此，实际焊接时，搅拌头转速设为2 100 r/min，焊接速度设为3 mm/s。7003铝合金薄板的接头组织和力学性能如图11所示。由图可知，焊接接头组织晶粒细小，经过热处理后的抗拉强度为369.2 MPa，屈服强度为297.5 MPa，延伸率为7.6%，断口是典型的塑性断裂即韧窝断口[14]。

4 结论

本文采用FSW焊接锂电池包箱体用7003铝合金。仿真结果表明：1）搅拌头转速过慢（1 600 r/min）时，焊接接头容易出现焊不透的缺陷。焊接进给速度过快（≥4 mm/s）容易出现焊不透、熔池过小等缺陷。焊接速度过慢（≤2 mm/s）容易出现晶粒粗大，影响力学性能。可知，搅拌头转速为2 100～2 500 r/min，焊接速度为3 mm/s时，母材可以获得较好的组织形貌。2）焊接实验时设置搅拌头转速为2 100 r/min，焊接速度为3 mm/s，经过固溶490 ℃/3 h和人工时效180 ℃/12 h热处理后，材料抗拉强度为369.2 MPa，屈服强度为297.5 MPa，延伸率为7.6%，断口为韧窝断口。因此，用SYSWELD仿真7003铝合金FSW焊接过程，可以优化焊接参数，降低焊接损耗。