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攪拌摩（mó）擦焊刀具承載能力數值模擬

2020-4-13 來源（yuán）：- 作者：-

摘要：厚板或高強合金攪拌摩擦焊中（zhōng）刀具容易（yì）在高溫與高應力作用下發生破（pò）裂，因此對刀具進行承載能力分析具（jù）有（yǒu）重要意義（yì）。采用 Fluent 流固耦合（hé）模（mó）擬 9.53 mm 厚 AA6061 鋁合金攪（jiǎo）拌摩擦焊的熱（rè）-機械（xiè）過程，並將模擬的攪拌針壓力（lì）場和溫度場導入 ANSYS 模（mó）型中進行結構分析，研究焊接（jiē）速度對刀具最大剪切力和安全係數的影響規（guī）律。結果表明，刀具最（zuì）易在攪拌針根部發（fā）生斷裂，而且隨著（zhe）焊接速度（dù）的增加，刀具承受的最大剪切力增大，安全係數降（jiàng）低（dī），刀具承載能力下降（jiàng）。所建立模（mó）型的仿真（zhēn）結果（guǒ）與實驗（yàn）數據基本一致。

關鍵詞：攪拌摩擦（cā）焊；刀具；橫向力；承載能力；Fluent

0 前言

攪拌摩擦焊過程中刀具橫向力為焊接質量（liàng）的在線檢測指標，該值應在合（hé）理範圍內以獲得無缺陷焊縫[1]。因此，通（tōng）過監控刀具橫向力，調（diào）整（zhěng）焊接參數能夠有效避免焊接缺陷的產生，並防止刀具發生劇烈磨損或（huò）斷裂。然而，由於刀具的旋轉運動和進（jìn）給運動及其周圍工件材料的劇烈塑性變（biàn）形（xíng），刀具橫向（xiàng）力難以通（tōng）過實驗手段測定[2]。采用數值模擬方法研（yán）究攪拌摩擦焊過程中的刀具橫向力具（jù）有重要意義（yì）。攪拌針是刀具（jù）中最脆弱部分，在攪拌摩擦焊接厚板或高強（qiáng）合金時，不（bú）合理的刀具結構、刀具材料或者工藝參數（shù）均會導致刀具斷裂[3]，需（xū）分析（xī）刀具承載能力。目（mù）前刀具承（chéng）載能力的（de）分析主要基於固體力學法[4-6]，未考慮刀具側邊力對承載能力的影（yǐng）響。本研究基於 Fluent 流固耦合模擬（nǐ）攪拌摩擦（cā）焊（hàn）的熱-機械過程，將（jiāng）模（mó）擬（nǐ）的攪拌針溫度場和壓力場導入 ANSYS 中（zhōng）進行結構分析，進一步研究刀具的承載能力。建模過程中，考（kǎo）慮刀具與工件之間熱傳遞以及刀具側邊力（lì）對其承載能力的影響。

1、Fluent 流固（gù）耦合模型

1.1 模型建立

攪拌摩擦焊 Fluent 模型（xíng）如圖 1 所示，其考慮了刀具與工件（jiàn）之間的熱傳（chuán）遞作用和刀柄對刀具的（de）冷卻作用，能夠更好地模擬攪拌摩擦焊過程（chéng）中的溫度場分布。AA6061 鋁板尺457mm×279mm×9.53mm。刀具尺寸、刀（dāo）柄夾持位置及熱電偶測（cè）量位置如圖2 所示。

圖 1 攪拌摩擦焊 Fluent 模型

圖 2 刀具（jù）結構及熱（rè）電偶測溫位置

AA6061 鋁合金和 H13 鋼的（de）熱性能參數如表 1所示。刀具旋轉速度恒定為 650 r/min，焊接速（sù）度分別為 1.69 mm/s、3.39 mm/s 和 5.08 mm/s。模型驗證實（shí）驗及結果見參考文（wén）獻[7]。

1.2 產熱方程

當材料溫度接近（jìn）熔點時，材料會發生巨大（dà）的軟化。因此（cǐ），采用修正（zhèng）過的粘（zhān）度公式（shì），如（rú）式（1）～（3）所示[8-9]，並假定刀具與工件界（jiè）麵為純粘著狀態（tài）。

表 1 材（cái）料熱性能參數

攪拌摩擦焊（hàn）過程中的熱量由刀具與工件的界麵摩擦以及工件塑性變形產生（shēng）。塑性（xìng）變形產熱為：

1.3 邊界條件

由於材料軟化和刀具（jù）施加的壓力作用，軸肩（jiān）下工件底（dǐ）部的對流係數高於其他部分。刀柄內（nèi）部存在強冷（lěng）卻作用，因此，刀具夾（jiá）持部位的對流係數假定為 15 ℃，其餘均為（wéi） 25 ℃。相關熱傳（chuán）遞係數如表2所示。

刀（dāo）具橫（héng）向力計算公（gōng）式為

表 2 界麵熱傳遞係數

2、 FEM 模型（xíng）

攪拌針 FEM 模型如圖 3 所示。在攪拌摩擦焊過程中，攪（jiǎo）拌針為最（zuì）脆弱部分。將 Fluent 模擬的攪拌針溫度場和壓（yā）力場導入（rù） ANSYS 進行結構分析，模擬攪拌針在攪拌摩擦焊過程中的（de）最大剪切力和安全係（xì）數，從而研究刀具的承（chéng）載能力。其（qí）中刀具安全係數為刀具在焊接溫度下（xià）的剪切強度與刀（dāo）具承受最大（dà）剪切力的比（bǐ）值。

圖 3 攪拌針 FEM 模型

3 、實驗結果分析

3.1 溫度場分（fèn）布

攪拌摩（mó）擦焊沿焊接方向（xiàng）溫度分布如圖 4 所示。可以看出，隨著焊接速度的降低，最高溫度增長非（fēi）常小。這是因為降低焊接速度（dù）會導致材料軟化量增加，從而降低熱生成率。但增加焊接速度會導致單位長度熱生成量減少，因此刀具前方溫度梯度隨焊接速度的增加而增大。在刀（dāo）柄夾持部位（wèi）的刀具溫度較低，表明通過液態冷（lěng）卻刀柄對刀具（jù）進（jìn）行冷卻能夠有效（xiào）減少（shǎo）流入到機床主軸中的熱量，避免對機床造成熱損傷。

圖 4 攪拌摩擦焊（hàn）沿焊（hàn）接方向溫度分布

3.2 模型驗證實驗

3.2.1 刀具溫度驗證

攪拌針根部（bù）與底部以及軸肩邊緣的測量溫度和模擬溫度如圖 5 所示，攪拌針根部（bù）與底部以及軸肩邊緣的模擬溫度與實驗結果基本一致。在攪拌摩擦（cā）焊過程中，熱量主要由軸肩與工件（jiàn）的摩擦（cā）作用產生，軸肩邊緣線速度較大，產熱較多，其溫度（dù）略高（gāo）於攪拌針根部。由於刀柄的強冷卻能（néng）力（lì），導致攪拌針根部和軸肩邊緣處的溫度均低於攪拌（bàn）針底部的溫度。

圖 5 刀具溫度理論與實驗對（duì）比

3.2.2 刀具橫向力與刀具功（gōng）率驗證

刀具（jù）橫向（xiàng）力理論與實驗對比如圖6 所示。在650 r/min 恒定（dìng）轉（zhuǎn）速下，焊接速度的增加會導致刀具橫向力增加。這是因為隨著（zhe）焊接（jiē）速度的增加，單（dān）位長度焊縫的產熱量降（jiàng）低，材料軟化（huà）不充分，變形阻力增加。刀具（jù）橫向力的模擬（nǐ）值（zhí）均在實驗值範圍內。而刀具橫向力的模（mó）擬有助於選擇（zé）合理的機床，避免載荷（hé）超出主軸（zhóu）的（de）承受（shòu）範（fàn）圍。

圖 6 刀具橫向力理論與實驗對比

3.3 刀具承載能力分（fèn）析

刀具最（zuì）大剪（jiǎn）切力和安全因子分布如圖 7 所示。可以看出，攪拌（bàn）針在前進側（cè）前端靠近（jìn）根（gēn）部處的最大剪切力最大，最大剪切力（lì）隨焊接速度的增加（jiā）而增加。刀具在旋轉和進（jìn）給過程中，受到彎矩和扭矩作用。彎矩產生的正應力和（hé）剪切力以及扭矩產生的剪切應力，隨著距攪拌針根部距離的減小而增加。因此，從攪拌針的底部到攪拌針根部，最大剪切力（lì）逐（zhú）步增加。

圖 7 刀具最大（dà）剪切力和安全因子分布

在攪（jiǎo）拌摩擦（cā）焊過程中，前端材料受到（dào）攪拌針的擠壓（yā）作用，在攪（jiǎo）拌摩擦的作用下流向後端，導致攪拌針前端和後端存在壓力差，因此（cǐ）前（qián）端的最大剪（jiǎn）切力大於後端的最大剪切力。刀具在旋轉過程中會產生（shēng）馬格納斯效（xiào）應，攪拌（bàn）針會受到側邊力作（zuò）用，從而導致前進側的最大剪切力大於後退側的最大剪（jiǎn）切（qiē）力。隨著焊接速度的增加，材料軟化不充分，變形抗力增加，也會增加刀具（jù）最大（dà）剪切（qiē）力，從而導致安全係數降低，刀具的承（chéng）載（zǎi）能力下降（jiàng）。攪拌針根部處的安全（quán）係數最（zuì）低，最容易發生斷裂（liè）。

4 、結論

（1）建立 FLUENT 流固耦合模型仿真分析攪拌摩擦焊（hàn）的熱機（jī）械過程，該模型能較準（zhǔn）確地（dì）模擬刀具溫度與橫向力。

（2）攪拌摩擦焊的焊接速度對（duì）最（zuì）大溫度影響較小，但對溫度梯度影響較大。

（3）采用（yòng） ANSYS 結構分（fèn）析模擬刀具的最大剪切應力和安全因子分布。增加焊接速度（dù）會導致材料軟化不充分，刀具最大剪切力增加，安全係數降低，刀具承載能力下降，在攪拌針前進側前端靠近根部處極易（yì）發生斷裂（liè）。

來源：

夏衛生，夏盼（pàn）盼楊帥楊雲珍

華中科技大學材料成形與模（mó）具技術國（guó）家重點（diǎn）實驗室武漢理工大學汽車工程學（xué）院

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