張成國,武小娟,孟凡玲

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

1060鋁攪拌摩擦焊穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)的數(shù)值模擬

張成國,武小娟,孟凡玲

(沈陽理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽 110159)

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent構(gòu)建了1060鋁攪拌摩擦焊穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)有限元模型,對(duì)塑型金屬材料的三維流場(chǎng)進(jìn)行了研究。數(shù)值模擬結(jié)果表明:在工件厚度方向上,塑形金屬的流動(dòng)受軸肩影響明顯,速度隨到軸肩距離的增加而逐漸減小;縱截面上塑形金屬流動(dòng)方向多處發(fā)生改變;橫截面塑性金屬的流動(dòng)受速度合成不同的影響,并不對(duì)稱。前進(jìn)邊速度和變形范圍比返回邊的大。

攪拌摩擦焊;流場(chǎng);數(shù)值模擬

攪拌摩擦焊接是由英國焊接研究所針對(duì)常規(guī)熔焊焊接性差的輕質(zhì)有色金屬開發(fā)的固相連接技術(shù)[1],隨著該技術(shù)的不斷發(fā)展,在工業(yè)各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[2]。

攪拌摩擦焊過程中,塑形金屬的流動(dòng)對(duì)于焊縫成形和焊接接頭質(zhì)量有重要影響[3],一直頗受國內(nèi)外學(xué)者的注意和研究。對(duì)塑型金屬流場(chǎng)的模擬,是一種高效率低成本的方法,能補(bǔ)足試驗(yàn)方法難以準(zhǔn)確得到攪拌頭附近塑型金屬的流動(dòng)情況和規(guī)律的短板。Colligan K等人[4]對(duì)異種金屬的攪拌摩擦焊研究表明,和同種材料焊接時(shí)比,材料都出現(xiàn)了強(qiáng)烈的機(jī)械混合和塑性變形,不對(duì)稱性特征明顯。Colegrove P A等人[5]使用Fluent模擬了攪拌摩擦焊塑性金屬材料的流動(dòng)情況,比較了不同攪拌頭的流場(chǎng)流動(dòng)情況。本文通過有限元軟件Fluent對(duì)攪拌摩擦焊穩(wěn)定階段的攪拌頭周圍流場(chǎng)情況進(jìn)行了模擬,并通過不同的截面展示和分析塑形金屬流動(dòng)的情況。對(duì)優(yōu)化攪拌頭的參數(shù)、探尋攪拌摩擦焊焊接機(jī)理和確定缺陷位置具有一定的意義。

1 攪拌摩擦焊的三維有限元模型的建立

攪拌摩擦焊是個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程,通常分解為攪拌頭旋轉(zhuǎn)擠進(jìn)工件階段、穩(wěn)定焊接階段和攪拌頭運(yùn)動(dòng)停止并退出板材的三個(gè)過程。為模擬順利進(jìn)行和縮減計(jì)算時(shí)間,本模型僅對(duì)焊接穩(wěn)定階段進(jìn)行模擬和分析,此階段工件與攪拌頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)保持不變,焊接橫截面的性能和形狀類似。將塑化金屬在穩(wěn)定焊接階段的流動(dòng)看作為一種穩(wěn)態(tài)的流動(dòng)。

1.1 模型的假設(shè)條件

攪拌摩擦焊過程中焊縫塑性金屬物理性能和流動(dòng)性能與液體相近,具有流體運(yùn)動(dòng)的特性[6],為實(shí)現(xiàn)模擬的順利進(jìn)行和縮短模擬運(yùn)算時(shí)間,提出以下假設(shè)條件:(1)攪拌頭與工件上表面垂直,忽略傾角對(duì)焊接過程的影響;(2)與工件直接接觸的攪拌頭表面符合固體無滑移前提,也就是攪拌頭周圍塑性材料隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn)時(shí),其遷移速度與攪拌頭旋轉(zhuǎn)線速度相等;(3)材料密度恒定,流體不可壓縮,將塑性金屬在焊接過程中的移動(dòng)設(shè)定為穩(wěn)定狀態(tài)下流動(dòng)。

1.2 網(wǎng)格的劃分和邊界條件

用三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks構(gòu)建工件和攪拌頭的幾何模型,通過布爾減操作獲得流場(chǎng)模型。工件簡(jiǎn)化成80mm×50mm×7mm同塊長(zhǎng)方體,攪拌頭由軸肩和圓柱攪拌針構(gòu)成。攪拌針長(zhǎng)度為6.3mm,直徑為8mm,軸肩直徑為20mm。攪拌頭位于工件中心,以降低邊界條件的設(shè)定與實(shí)際情況的差異帶來的偏差[7]。坐標(biāo)原點(diǎn)位于攪拌針端面圓心位置。三維坐標(biāo)中,縱截面上焊接前進(jìn)方向沿著X坐標(biāo)軸負(fù)方向,橫截面上焊縫前進(jìn)邊與Y坐標(biāo)軸負(fù)方向重合,攪拌針端面為Z=0mm截面。為避免構(gòu)建模型的復(fù)雜化和不運(yùn)用動(dòng)態(tài)網(wǎng)格,模型中軸肩簡(jiǎn)化為一個(gè)平面,攪拌針表面無螺紋[8]。數(shù)據(jù)導(dǎo)入應(yīng)用前處理軟件GAMBIT,流體網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格的劃分

在實(shí)際攪拌摩擦焊焊接的過程中,工件被牢牢固定,攪拌頭邊旋轉(zhuǎn)邊前進(jìn),而模擬過程中依照常規(guī)的方式設(shè)置為攪拌頭旋轉(zhuǎn),工件做平移運(yùn)動(dòng)。圖2所示的為流場(chǎng)的邊界條件。模型中共設(shè)有三種邊界面,流體從速度進(jìn)口面流入計(jì)算區(qū)域,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)的攪拌頭面,經(jīng)壓力出口面流出,塑性金屬在此密封的通道中流動(dòng)[9]。圖中左側(cè)面邊界條件類型設(shè)置為速度進(jìn)口面,方向和焊接速度相反,大小相等。圖中右側(cè)面邊界條件類型設(shè)置為壓力出口面,此為相對(duì)壓力,大小為0,因?yàn)镕luent中壓力是相對(duì)于操作壓力而言。攪拌針壁面設(shè)置為動(dòng)墻壁面,默認(rèn)無滑移,大小和方向同攪拌頭旋轉(zhuǎn)速度相同,為700rpm。軸肩壁面設(shè)置相同。左右和上下墻壁面設(shè)置為靜止壁面。

圖2 邊界條件

1.3 材料參數(shù)

本文研究?jī)?nèi)容是攪拌摩擦焊接穩(wěn)定階段流場(chǎng)的模擬,密度設(shè)定恒定為2700kg/m3,粘度是重要參數(shù),測(cè)量難度較高,引用文獻(xiàn)[10]數(shù)值0.4kPa·s,其他參數(shù)[11]見表1。

表1 鋁1060不同溫度下的材料參數(shù)

2 模擬結(jié)果與分析

圖3顯示的是整體流場(chǎng)圖,能得出焊縫區(qū)域流場(chǎng)受到了攪拌頭旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)作用,攪拌頭附近塑性金屬隨著攪拌頭旋轉(zhuǎn),但攪拌頭影響范圍有限。同時(shí)各處流動(dòng)速度是不相同的:水平方向上,在軸肩影響范圍內(nèi),材料的流動(dòng)速度隨旋轉(zhuǎn)距離的增加而增大。軸肩輪廓外緣達(dá)到了最大值。

在軸肩影響范圍之外,材料的流動(dòng)速度急劇減小。厚度方向上,能夠看出離工件軸肩越遠(yuǎn)的流場(chǎng)流速越小,離軸肩距離近的位置,流場(chǎng)范圍大,流速高。隨著離軸肩距離的增加,流場(chǎng)范圍逐漸減小,流速逐漸降低。

圖3 整體流場(chǎng)圖

模擬軟件的優(yōu)勢(shì)是可以在任意截面處觀察塑性金屬流動(dòng)情況,下面選取幾處典型截面給予更加清晰的顯示。厚度方向上截取位于Z=6 mm、Z=4mm和Z=0mm水平截面。橫向和縱向的截面分別位于X=0mm和Y=0mm處。流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖4所示。

圖4 焊縫不同厚度處的水平截面流場(chǎng)圖

取位于焊縫上表面較近處水平截面,觀察流場(chǎng)情況,如圖4a所示。此位置距離軸肩0.3mm,受軸肩影響較大。能夠看出塑性金屬流動(dòng)基本呈現(xiàn)和軸肩相同形狀大小的形貌,但區(qū)域比軸肩略大些。最大流動(dòng)速度出現(xiàn)在軸肩影響范圍邊緣位置。前進(jìn)邊和返回邊兩側(cè)的流線密度不相同。塑性金屬流動(dòng)在前方焊縫中心位置出現(xiàn)分流,軸肩帶動(dòng)部分材料從前進(jìn)側(cè)順著攪拌頭外緣到達(dá)軸肩后方區(qū)域。另外部分塑性金屬繼續(xù)隨攪拌針旋轉(zhuǎn),并繞過焊縫中心線,繼續(xù)遷移一定距離落在返回側(cè)。

取焊縫厚度中間處水平截面,觀察流場(chǎng)情況,如圖4b所示。此位置距軸肩2.3mm,受軸肩影響已經(jīng)較弱。相比于圖4a塑性金屬流動(dòng)劇烈區(qū)域明顯減小,僅略大于攪拌針?biāo)浇孛?。能夠得出其主要受攪拌針作用。流體最高速度值也有所減小,能夠得出軸肩對(duì)流體流動(dòng)的帶動(dòng)效果比攪拌針要好。兩者相同的是前進(jìn)邊和返回邊兩側(cè)的流線密度不相同。流動(dòng)速度上,前進(jìn)邊大于返回邊。這是由于返回邊流動(dòng)速度方向和攪拌針旋轉(zhuǎn)方向重合,兩種作用互相疊加作用的結(jié)果[12]。

取攪拌針端面處水平截面,觀察流場(chǎng)情況,如圖4c所示。可以看出此截面塑形金屬的流動(dòng)軸肩已經(jīng)沒有影響,僅受攪拌針端面影響,但作用也明顯減弱。塑形金屬流動(dòng)區(qū)域小,流動(dòng)速度低,材料雖有遷移,但范圍較小,流動(dòng)不充分,這也是容易出現(xiàn)焊接缺陷的位置。

圖5為焊縫縱向截面流場(chǎng)情況圖,能夠發(fā)現(xiàn),最大切向速度出現(xiàn)在軸肩外緣位置。塑形金屬向前流動(dòng)中遇攪拌頭的阻擋和旋轉(zhuǎn)帶動(dòng),軸肩下方附近塑形金屬呈漩渦狀,中間大部分材料繞著攪拌針旋轉(zhuǎn),還有小部分材料從攪拌針端面下方流過到達(dá)攪拌針后方。攪拌針后方附近的塑性金屬出現(xiàn)分流,貼緊攪拌針的跟隨攪拌針旋轉(zhuǎn),靠近攪拌針的向上遷移趨勢(shì)大,并且越接近軸肩位置,此部分材料范圍越大。離攪拌針距離略大的,向后遷移趨勢(shì)大。

圖5 焊縫縱截面流場(chǎng)情況圖

圖6為焊縫橫截面流場(chǎng)情況圖,由圖6可看出,在軸肩帶動(dòng)影響下,攪拌頭附近塑形金屬流動(dòng)方向明顯發(fā)生改變。部分塑性金屬在軸肩下方流動(dòng)遷移形成漩渦,部分塑形金屬隨著軸肩旋轉(zhuǎn)遷移,流動(dòng)到后方填補(bǔ)移動(dòng)造成的瞬時(shí)空腔。圖中左側(cè)是流場(chǎng)中的前進(jìn)邊,塑性金屬的流動(dòng)速度方向與軸肩的旋轉(zhuǎn)速度方向一致。右側(cè)是流場(chǎng)中的返回邊,塑性金屬的流動(dòng)速度方向與軸肩的旋轉(zhuǎn)速度方向正好相反。這兩種速度效果相互疊加或抵消,造就了前進(jìn)邊塑性金屬的最高速度和變形區(qū)域比返回邊的大。

圖6 焊縫橫截面流場(chǎng)情況圖

3 結(jié)論

(1)使用三維造型軟件Solidworks構(gòu)建了流場(chǎng)的三維幾何模型,使用前處理軟件Gambit通過非均勻四面體網(wǎng)格方法劃分了網(wǎng)格,使用計(jì)算模擬軟件Fluent模擬出了攪拌摩擦焊的流場(chǎng)情況。運(yùn)用整體和不同截面對(duì)流場(chǎng)情況進(jìn)行詳細(xì)說明。

(2)在1060攪拌摩擦焊的流場(chǎng)中,在工件水平方向上,塑形金屬的流動(dòng)速度隨到攪拌頭旋轉(zhuǎn)中心的距離的增加而減小;在工件厚度的方向上,塑形金屬的流動(dòng)受軸肩影響明顯,速度隨到軸肩距離的增加而逐漸減小。

(3)縱截面上塑形金屬流動(dòng)方向多處發(fā)生改變,有分流現(xiàn)象;橫截面塑性金屬的流動(dòng)受速度合成不同的影響,并不對(duì)稱。前進(jìn)邊速度和變形范圍比返回邊的大。

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(責(zé)任編輯：王子君)

NumericalSimulationof1060AluminumStirringFrictionWeldingSteadyFlowField

ZHANG Chengguo,WU Xiaojuan,MENG Fanling

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

By computational fluid dynamics software Fluent,1060 aluminum FSW steady flow finite element model is established,the numerical simulation of three-dimensional flow field of metal plastic material is studied.The results show that,in the direction of the thickness of the workpiece,the flow of the plastic is influenced by the shoulder,and the velocity decreases with the increase of the distance from the shoulder;the flow direction of the plastic is changed in many directions in the longitudinal section;the flow of the plastic is affected by velocity synthesis and not symmetrical in the cross section.The A_side velocity and deformation range are larger than the R_ side.

FSW;flow field;numerical simulation

TB391.9

A

2016-09-23

張成國(1991—)，男，碩士研究生；通訊作者：武小娟(1973—)，女，副教授，博士，研究方向：材料成型連接技術(shù)。

1003-1251(2017)05-0049-04