搅拌头倾角对铝合金FSW过程传热传质的影响

翟 明 武传松 石 磊 宋宏图

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081；2.材料液固结构演变与加工教育部重点实验室，山东大学，济南 250061）

1 引言

为了实现节能降耗、提质增效的目标，航空航天、轨道交通等制造领域对于结构轻量化有迫切需求。以铝合金为代表的轻质合金具有密度小、比强度高、耐蚀性好等特点，得到越来越多的应用[1，2]。《中国制造2025》中提出，要加快应用清洁高效焊接工艺。搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding，简写为FSW）作为一种低热输入的固相焊接工艺，具有大应变与高应变速率的特点。与传统熔焊相比，FSW 接头不会出现气孔、裂纹和元素烧损等缺陷。因此，FSW 用于铝合金等低熔点轻质合金的焊接，可以取得良好的成形质量[3，4]。

FSW 作为一个热力耦合的过程，过程中的材料流动与产热传热对焊接质量有着密切的影响。在焊接过程中，搅拌头始终相对于焊接方向向后倾斜一个微小的角度。当倾角过小时，旋转流动的材料会溢出搅拌头形成飞边，在焊缝中形成缺陷；当倾角过大时，轴肩过强的顶锻作用会导致焊缝过分减薄，造成焊缝凹陷。因此，为了在焊接工艺实验中保证焊缝成型，应当合理地选择搅拌头倾角[5～7]。目前，有部分研究者在实验中研究了搅拌头倾角的作用，发现调整搅拌头倾角会对焊接过程的焊缝成型[8]、焊接载荷[9]、材料流动混合行为[10]、焊接温度[11]和接头性能[12]产生影响。但是，搅拌头倾角是如何影响FSW 过程中传热传质的？其内在机制是什么？还有待于进一步的研究。

采用数值模拟的方式可以对这些问题进行定量的分析，更加直观地了解倾角的作用机制。在此前，很多研究者建立了FSW 过程的数值模型[13～15]，但是只有少部分研究者在建模过程中考虑了搅拌头倾角。Eyvazian等[16]在FSW 的热力学模拟中初步考虑了搅拌头倾角的作用效果。Zhang 等[17]通过在建模过程中考虑了轴肩/工件接触界面的不完全接触区域，但是仅仅将界面接触状态限制在完全接触区域内。Dialami 等[18]在模型中考虑了搅拌头倾角导致界面摩擦剪切力的偏转，但是没有区分完全接触区域与不完全接触区域。在前期工作中[19，20]，从轴肩/工件接触界面材料流体力学受力分析的角度推导了不完全接触区域及其偏转量的表达式，并分别考虑了完全接触区域与不完全接触区域界面接触条件的非均匀性，使模型更加符合焊接过程的实际情况。Wang 等[21]进一步揭示了搅拌头倾角抑制孔洞缺陷形成的机理。但是，不同搅拌头倾角对焊接过程中产热传热与材料流动行为的作用规律，还缺乏明确的认识。

在本研究中，采用考虑搅拌头倾角作用的铝合金FSW 过程数理模型，定义由搅拌头倾角引起的不完全接触区域及其偏转量，并考虑接触界面上非均匀的轴向应力、滑移率和摩擦系数。定量分析采用1.5°、2.5°与4°搅拌头倾角时焊接过程中的传热传质行为。

2 工艺实验方法

在转速–焊速为800r/min-30mm/min、轴肩下压量为0.15mm、搅拌头倾角为2.5°条件下，开展铝合金FSW 工艺实验。母材为长200mm、宽60mm、厚4mm的AA6061-T6铝合金板材，化学成分如表1所示。采用的搅拌头轴肩直径15mm，内凹2°；搅拌针为圆台形，表面带有单头右旋螺纹，搅拌针顶部和底部直径分别为5.4mm 和3.8mm，螺纹螺距为1.0mm，螺纹槽宽为0.5mm。

表1 AA6061-T6 的化学成分 wt%

在焊接过程中，监测搅拌头/工件接触界面、焊核区（Weld Nugget Zone，简写为WNZ）内部与焊核区外部的温度状态，如图1所示。在进行界面温度测量时采用前期研制的无线测温系统[22]，在搅拌头上使用电火花加工方法加工两个直径为0.8mm 的通孔，将测温热电偶置入，使得轴肩底面测温点距离轴肩边缘3.16mm，与搅拌头轴线的夹角为37°；搅拌针的侧面测温点距离轴肩底面2.96mm，与搅拌头轴线的夹角为47°。这两个通孔位于同一个平面内并且位于搅拌头轴线的同一侧。焊核区内部温度测量时，在焊缝两侧距离焊缝中心线3mm 处开槽，深度为2.5mm，埋入热电偶。焊核区外部温度测量时，在焊缝两侧距离焊缝中心线10mm 处打孔，深度为2mm，埋入热电偶。

图1 FSW 过程温度测量方法示意图

3 考虑搅拌头倾角作用的数值模型

使用计算流体力学（ Computational Fluid Dynamics,简写为CFD）方法建立铝合金FSW 过程的数理模型。模型中的假设、网格模型、控制方程、材料本构方程与边界条件的详细介绍及其相关参数的取值可参考前期研究工作[19，20]。

在前期工作中，基于对轴肩/工件接触界面材料进行流体力学受力分析，提出了不完全接触区域宽度以及偏转角度的表达式，并采用两个双曲正切函数分别定义了完全接触区域与不完全接触区域上的非均匀轴向应力、滑移率与摩擦系数，如图2所示。其中涉及到的参数取值见参考文献[20]。

图2 两个双曲正切函数中涉及的距离示意图

不完全接触区域宽度与偏转角度可以分别表示为式（1）和式（2）：

在完全接触区域与不完全接触区域的轴向应力可以分别表示为式（3）和式（4）：

在完全接触区域与不完全接触区域的滑移率可以分别表示为式（5）和式（6）：

在完全接触区域与不完全接触区域的摩擦系数可以分别表示为式（7）和式（8）：

式中，Fn为轴向力，Scontact为几何上的接触面积，x与y分别为任一点的横坐标与纵坐标，xo'为完全接触区域与不完全接触区域分界线所在圆的圆心横坐标，r为到搅拌头轴线的距离，0δ为滑移率常数项，0μ为摩擦系数常数项。

4 数值模拟结果

采用与实验中相同的工件尺寸、搅拌针尺寸与工艺参数，开展1.5°、2.5°与4°三种倾角条件时的数值模拟，定量分析不同搅拌头倾角时焊接过程中的产热传热与材料流动行为。

在距离轴肩底面2mm 位置处，提取半径为3mm的圆周上三种倾角条件的材料流动速度，如图3a所示。其中横坐标为与X轴正方向的夹角，圆形点的曲线与方框点的曲线之间的阴影区域即为2.5°倾角比1.5°倾角材料流动加速区域；三角点的曲线与圆形点的曲线之间的阴影区域即为4°倾角比2.5°倾角材料流动加速区域。当搅拌头倾角从1.5°增大到4°时，由于轴肩的顶锻作用增强，搅拌头后方的材料流动速度有明显提高。

图3 材料流动行为（800r/min–30mm/min）

为了更加直观地了解材料流动状态，在数值计算中，在搅拌头前方x=-20mm 平面上沿着对界面y=0mm位置竖直布置示踪粒子，在搅拌头后方x=10mm 平面观察三组搅拌头倾角时的示踪粒子的分布状况，如图3b所示。当倾角从1.5°增加到4°时，示踪粒子绕过搅拌头后向前进侧迁移的能力增强。

提取三种倾角条件时轴肩/工件接触界面上半径为7mm 圆周的热流密度，如图4所示。圆形点的曲线与方框点的曲线之间的阴影区域即为2.5°倾角比1.5°倾角热流密度增大的区域；三角点的曲线与圆形点的曲线之间的阴影区域即为4°倾角比2.5°倾角热流密度增大的区域。当倾角从1.5°增大到4°时，搅拌头驱动的材料体积增大，因此搅拌头前方的界面热流密度增大。

图4 选取圆周上的热流密度（800r/min-30mm/min）

对比三种倾角条件下搅拌头周围剪切层内粘性耗散产热率，如图5所示。当分别采用1.5°、2.5°与4°倾角时，粘性耗散产热率峰值分别为7.40×109W/m3、8.13×109W/m3与9.26×109W/m3。当倾角从1.5°增大到4°时，搅拌头周围材料流动能力的提升导致粘性耗散产热率升高。

图5 粘性耗散产热率（800r/min–30mm/min）

FSW 过程中的总产热取决于搅拌头/工件接触界面产热与剪切层内的粘性耗散产热的综合作用。当倾角从1.5°增大到4°，由于界面热流密度与粘性耗散产热率均增大，焊接过程总产热增加，进而形成更高的焊接温度，如图6所示。当分别采用1.5°、2.5°与4°倾角时，轴肩/工件接触界面测温点所在圆环的计算峰值温度分别为792K、803K 与811K；搅拌针侧面/工件接触界面测温点所在圆环的计算峰值温度分别为782K、796K 与803K。

图6 轴肩/工件接触界面的温度分布（800r/min-30mm/min）

5 模型验证

在2.5°搅拌头倾角的条件下，对搅拌头/工件接触界面、焊核区内部与焊核区外部温度计算结果与实验测量结果相对比，验证所提出模型的准确性。

对比轴肩/工件接触界面与搅拌针侧面/工件接触界面测温点的温度计算值与测量值，如图7所示。在试验中，焊接过程稳定后轴肩/工件接触界面平均温度约为803K，搅拌针侧面/工件接触界面温度约为793K；在数值模拟中，轴肩/工件接触界面温度为800～803K，搅拌针侧面/工件接触界面温度为792～796K。温度计算值与测量值误差在3K 以内。

图7 搅拌头/工件接触界面温度计算值与测量值(2.5°倾角，800r/min-30mm/min)

对比焊核区内部前进侧与后退侧温度计算值与测量值，如图8所示。在试验中，前进侧峰值温度为768K，后退侧峰值温度为762K；在数值模拟中，前进侧峰值温度为786K，后退侧峰值温度为784K。温度计算值与测量值误差在22K 以内。

图8 焊核区内部温度计算值与测量值(2.5°倾角，800r/min-30mm/min)

对比焊核区外部前进侧以及后退侧温度计算值与测量值，如图9所示。在试验中，前进侧峰值温度为654K，后退侧峰值温度为642K；在数值模拟中，前进侧峰值温度为666K，后退侧峰值温度为664K。温度计算值与测量值误差在22K 以内。

图9 焊核区外部温度计算值与测量值(2.5°倾角，800r/min-30mm/min)

可以看出，搅拌头/工件接触界面、焊核区内部与焊核区外部温度计算结果与实验测量结果吻合均较为良好，证明了考虑搅拌头倾角作用数值模型的准确性。

6 结束语

a.当倾角从1.5°增加到4°时，搅拌头后方材料流动速度升高，材料绕过搅拌头向前进侧迁移的能力提升，这有助于提高搅拌区内材料的交锁混合程度。

b.当倾角从1.5°增大到4°时，界面热流密度与剪切层内粘性耗散产热率均增大，焊接温度提升。轴肩/工件接触界面测温点的峰值温度从792K增加到811K，而搅拌针侧面/工件接触界面测温点的峰值温度从782K 增加到803K。

c.在2.5°倾角条件下，对比搅拌头/工件接触界面、焊核区内部与焊核区外部温度的计算值与测量值，发现吻合度均较为良好，验证了提出的考虑搅拌头倾角模型的准确性。