潘 玲，左敦穩(wěn)，汪建利，汪洪峰，，黃銘敏

(1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.黃山學(xué)院機電與信息工程學(xué)院，安徽黃山 245041)

7022鋁合金FSJ過程溫度場特點分析

潘 玲1，左敦穩(wěn)1，汪建利2，汪洪峰1，2，黃銘敏1

(1.南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.黃山學(xué)院機電與信息工程學(xué)院，安徽黃山 245041)

建立了FSJ過程的熱源模型，并利用有限元方法對7022鋁合金FSJ過程中的溫度場分布進行模擬，獲得了7022鋁合金FSJ過程的溫度場分布云圖。結(jié)果表明，連接縫方向各位置處節(jié)點的溫度變化十分相似，均是當(dāng)攪拌頭行走到該位置的瞬間，熱循環(huán)溫度達(dá)到最大值，并隨著攪拌頭遠(yuǎn)離而迅速降低。前進側(cè)溫度高于后退側(cè)，連接區(qū)域各位置節(jié)點峰值溫度為491℃左右，未達(dá)到材料熔點。

7022鋁合金;FSJ;溫度場;有限元模擬;熱源模型

攪拌摩擦連接(FSJ)是一種新型的固相連接技術(shù)。鋁合金平板連接后殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生的根本原因是攪拌摩擦連接過程中瞬態(tài)熱輸入的不均勻，F(xiàn)SJ過程溫度場分布決定了工件材料內(nèi)部組織的微觀變化［1－6］，這直接關(guān)系到接頭的組織形態(tài)和質(zhì)量，以及整個工件最終的應(yīng)力應(yīng)變分布［7－11］，因此研究FSJ過程溫度場是研究應(yīng)力應(yīng)變的前提。本文采用ANSYS模擬FSJ過程的溫度場分布，深入分析FSJ過程中的溫度變化規(guī)律，以期為實際工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 FSJ傳熱過程數(shù)值模擬

1.1 材料物理性能參數(shù)

7022鋁合金作為7系列高強鋁合金的一種，在航空航天領(lǐng)域擁有潛在的應(yīng)用價值。材料熱學(xué)性能參數(shù)見表1、表2。

表1 7022鋁合金熱物性參數(shù)

表2 7022鋁合金熱力學(xué)性能參數(shù)

1.2 模型建立與網(wǎng)格劃分

FSJ數(shù)值模擬采用ANSYS商業(yè)軟件建模。進行溫度場模擬時選用Solid70單元，厚度方向劃分為4層;沿寬度方向劃分網(wǎng)格時，按照離連接區(qū)溫度場梯度大小不同而采用不同密度的網(wǎng)格。靠近連接區(qū)溫度梯度大，遠(yuǎn)離連接區(qū)溫度梯度小，故在連接區(qū)用較細(xì)的網(wǎng)格，在遠(yuǎn)離連接區(qū)用較粗的網(wǎng)格。由于FSJ過程中板材兩側(cè)溫度分布不對稱，故本文中采用整體建模，建立的有限元模型如圖1所示。

另外，F(xiàn)SJ有限元模型還作了以下假設(shè):(1)不考慮攪拌頭螺紋的影響，攪拌針等效攪拌半徑取為攪拌針半徑;(2)夾具的影響通過施加等效的邊界換熱條件來簡化處理;(3)忽略金屬內(nèi)部塑性流動的影響。

圖1 FSJ有限元模型

1.3 FSJ熱源模型總熱輸入:

式中:Qs為軸肩產(chǎn)熱功率;Qp為攪拌針產(chǎn)熱功率。

設(shè)軸肩半徑為R1，圓柱體攪拌針半徑為R2，高度為H。軸肩產(chǎn)熱實際有效區(qū)域為R1與R2之間的圓環(huán)，假設(shè)連接壓力P均勻地施加于軸肩，不隨半徑變化(如圖2所示)，則任意半徑r處微元的摩擦力為:

微圓環(huán)上軸肩旋轉(zhuǎn)作用力矩為:

軸肩旋轉(zhuǎn)扭矩為:

軸肩產(chǎn)熱功率為:

式中ω為該微元處的旋轉(zhuǎn)角速度，軸肩產(chǎn)熱功率單位為W。

圖2 FSJ過程軸肩微圓環(huán)的產(chǎn)熱

設(shè)圓柱體攪拌針承受的均勻壓力為P，則攪拌針旋轉(zhuǎn)移動扭矩為產(chǎn)熱功率為

1.4 邊界條件

本文進行FSJ模擬時，初始溫度為20℃。隨著FSJ過程的開始工件受熱升溫，且熱量逐漸傳導(dǎo)至整塊板件和工作臺，同時工件與周圍空氣發(fā)生對流熱交換，并會與夾具發(fā)生傳熱。鋁合金與空氣對流換熱的對流系數(shù)與溫度有關(guān)，對流換熱系數(shù)為5 000J/(m2·℃)。

2 溫度場數(shù)值模擬結(jié)果分析

2.1 連接區(qū)溫度場與溫度梯度

圖3(a)、(b)所示為FSJ過程中攪拌頭距離起始端90mm時的連接縫縱截面溫度場云圖和溫度梯度云圖。由圖3(a)可見，最高溫度范圍出現(xiàn)在攪拌區(qū)域的中心，沿著攪拌頭軸肩往外逐漸降低，攪拌區(qū)的溫度沿著攪拌針自上而下逐漸降低，從圖3(b)可以看出，法向溫度降低的趨勢大于上表面縱向溫度梯度，這是由于底面有工作臺的關(guān)系，工作臺與工件間的換熱率要大于工件與空氣的換熱率，下表面散熱速度快于上表面。從圖3(b)還可看出，溫度梯度最大值出現(xiàn)在軸肩外邊緣，因此可推斷軸肩外邊緣處應(yīng)當(dāng)既是受熱量的過渡，又是機械影響力的過渡，反映在實際連接區(qū)的形態(tài)就是熱機影響區(qū)與熱影響區(qū)的過渡。

圖3 連接區(qū)溫度場與溫度梯度云圖

2.2 連接過程熱循環(huán)曲線

圖4所示為FSJ過程中，工件上表面沿著連接縫方向所取3個節(jié)點的熱循環(huán)曲線，由圖可見，沿連接縫方向各位置處節(jié)點的溫度變化十分類似，均是當(dāng)攪拌頭行走到該位置的瞬間，熱循環(huán)溫度達(dá)到最大值，并隨著攪拌頭遠(yuǎn)離而迅速降低。連接區(qū)各位置節(jié)點峰值溫度為491℃左右，由于未達(dá)到材料熔點，材料發(fā)生塑性軟化而不熔化。由圖還可觀察到溫度曲線的最高處有下凹，這是因為熱源模型是由柱面熱源和表面環(huán)形熱源組成的，這個結(jié)果表示的意思是熱源中心部位有攪拌頭，熱量作用不到工件。

圖5所示為FSJ過程中前進側(cè)和后退側(cè)的節(jié)點溫度隨FSJ時間變化的曲線。從圖中可以清楚看到，橫向距攪拌頭中心越遠(yuǎn)，溫度峰值越低。前進側(cè)和后退側(cè)的溫度變化趨勢是相同的，前進側(cè)溫度比后退側(cè)溫度稍高，是因為攪拌頭的形狀并不完全對稱。前進側(cè)和后退側(cè)的溫度出現(xiàn)差異，是因為連接縫兩邊的摩擦產(chǎn)生的熱量不同。

圖4 上表面沿連接縫方向節(jié)點溫度變化歷程

圖5 上表面前進側(cè)和后退側(cè)節(jié)點溫度變化歷程

3 結(jié)論

a.建立了FSJ過程的熱源模型，利用ANSYS模擬了FSJ過程的溫度場分布，獲得了溫度分布云圖，從縱截面溫度場分布來看，F(xiàn)SJ過程受攪拌和摩擦的區(qū)域形成一個熱源，沿著板厚度方向，接頭溫度場呈“碗”形分布:上寬下窄，溫度值是上高下低。

b.通過數(shù)值模擬，獲得了FSJ過程中沿連接縫方向節(jié)點溫度變化曲線，由曲線圖可知，連接縫中心兩側(cè)的溫度呈不對稱分布，前進側(cè)溫度略高于后退側(cè)溫度。

c.連接區(qū)各位置節(jié)點峰值溫度為491℃左右，未達(dá)到材料熔點，F(xiàn)SJ過程是一種塑性軟化過程。

［1］柯黎明，刑麗，黃奉安.攪拌摩擦焊接頭形成過程的二維觀察與分析［J］.焊接學(xué)報，2005，26(3):1－4.

［2］王訓(xùn)宏，王快社，沈洋，等.攪拌摩擦焊焊縫塑性流動規(guī)律的數(shù)值模擬［J］.材料導(dǎo)報，2006，20(12):127－131.

［3］李寶華.攪拌頭形狀與工藝參數(shù)對塑性金屬遷移行為的影響［D］.南昌:南昌航空大學(xué)，2008.

［4］王曉東.攪拌摩擦焊焊縫塑性金屬在焊縫厚度方向的遷移行為研究［D］.南昌:南昌航空大學(xué)，2009.

［5］Khandkar M Z H，Khan J A，Reynolds Anthony P.Predicting residual thermal stresses in friction stir welded metals［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，174:195－203.

［6］鄢東洋，史清宇，吳愛萍，等.鋁合金薄板攪拌摩擦焊接殘余變形的數(shù)值分析［J］.金屬學(xué)報，2009，45(2):183－188.

［7］李亭，史清宇，李紅克，等.鋁合金攪拌摩擦焊接頭殘余應(yīng)力分布［J］.焊接學(xué)報，2007，28(6):105－108.

［8］李紅克，史清宇，王鑫，等.鋁合金平板攪拌摩擦焊接應(yīng)力變形分析［J］.焊接學(xué)報，2008，29(2):81－84.

［9］Staron P，Kocak M，Williams S，et al.Residual stress in friction stir welded Al sheets［J］.Physica B，2004，350:491 －493.

［10］柴鵬，欒國紅，郭德倫，等.FSW接頭殘余應(yīng)力分布及控制技術(shù)［J］.焊接學(xué)報，2005，26(11):79－82.

［11］王希靖，孫桂蘋，張杰，等.焊后熱處理對高強鋁合金攪拌摩擦焊接頭的影響［J］.中國有色金屬學(xué)報，2009，19(3):484－489.

Simulation of the Temperature Field for FSJ Process of 7022 Al Alloy

PAN Ling1，ZUO Dunwen1，WANG Jianli2，WANG Hongfeng1，2，HUANG Mingmin1
(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)
(2.Huangshan University，Anhui Huangshan，245021，China)

The heat source model of Friction Stir Joining(FSJ)is established.Also numerical model is established to simulate the temperature field of 7022 Al alloy.The results indicate that the time－h(huán)istory curves of all center nodes in the connected area are very similar，all nodes are at the maximum temperature when the tool arrived at center nodes，and the node temperature is lower tempestuously when the tool moved away.Advancing side temperature is higher than the retreating side.The maximum temperature of all center nodes in the connected area is about 491℃ at which the material is softened but not molten.

7022 Al Alloy;FSJ;Temperature Field;Finite Slement Simulation;Heat Source Model

TG404

A

2095－509X(2013)02－0069－03

10.3969/j.issn.2095 －509X.2013.02.018

2012－08－24

國家自然科學(xué)基金資助項目(51175255);安徽高校省級自然科學(xué)研究項目(KJ2012Z388)

潘 玲(1988—)，女，安徽滁州人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要從事FSJ技術(shù)的研究工作。