摩擦叠焊(friction hydro-pillar processing, FHPP)是一种新型的固相连接技术, 该技术由英国焊接研究所(TWI)发明^[1], 具有广泛的应用前景, 摩擦叠焊是通过一定数量的摩擦叠焊单元互相重叠而形成的.FHPP单元的焊接过程：在待焊件上预制一个待填充孔, 选取小于焊孔直径的焊棒进行搭配, 焊棒以一定的速度旋转, 在轴向压力的作用下进行焊接, 焊棒和焊孔相互摩擦产生热量, 形成局部塑性层, 塑性金属在轴向压力的挤压下不断脱离摩擦界面并流动到焊棒和焊孔的间隙中, 填满焊棒和焊孔的间隙, 停止旋转, 在轴向施加一个更大的轴向压力, 保持一段时间后再撤掉, 焊接过程完成^[2].

针对摩擦叠焊人们已经进行了大量的试验研究工作.德国GKSS研究中心^[3]分析了不同形状的焊棒和焊孔相搭配进行焊接, 观察到试件形状对焊接质量有着明显的影响.Katoh等^[4]发现在轴向压力作用下, 随着摩擦不断进行, 会产生大量塑性金属并粘附在焊孔底部周围, 通过做拉伸实验后可以发现压力越大、焊接时间越长, 拉断所需要的力越大.文献[5-7]对摩擦叠焊单元成形作了一系列的实验研究, 确定焊接过程的不同阶段, 并且研究不同焊接参数对焊接行为和性能的影响.曲瑞等^[8]借助高速摄像机拍摄圆柱形焊棒和焊孔搭配下摩擦叠焊单元成形过程, 实验结果表明摩擦叠焊单元成形过程会产生不连续的摩擦剪切面.

数值模拟是对摩擦叠焊单元成形机理研究的重要补充.高辉等^[9]使用ABAQUS, 对摩擦叠焊单元成形过程进行数值模拟, 通过分析不同情况下的温度场和应力场, 阐明使用相同工艺参数下在干式和水下环境得到不同焊接质量情况.

目前, 对于摩擦叠焊单元的数值模拟研究大多集中于温度场和应力场, 利用数值模拟方法研究焊接质量的文献较少.本文主要使用ABAQUS有限元软件, 采用FRIC子程序和网格重划分技术, 对7075铝合金建立了摩擦叠焊单元成形的数值模型, 研究了摩擦叠焊基本单元成形过程中试件形状对于焊接质量的影响, 在后续的工作中对其进行实验验证.

焊接之前需要在基体母材上预制一个待填充的盲孔.为了研究试件形状对焊接成形过程的影响, 设计了以下几种情况, 如图 1所示.每个试件焊棒和焊孔的直径均相同, 分别为14, 16 mm.模型A~C中, 焊棒端部均为直角, 试件A焊孔的底部为直角, 试件B焊孔的底部带有半径为1 mm圆角, 试件C焊孔底部带有45°的1 mm倒角.模型D~E中, 试件D焊棒和焊孔带有相同圆角, 半径为1 mm, 试件E焊棒和焊孔带有45°半径为1 mm倒角.

图 1(Fig. 1)

图 1 不同试件形状配置(单位：mm) Fig.1 Different stud and hole configurations (a)—试件A；(b)—试件B；(c)—试件C；(d)—试件D；(e)—试件E.

本文摩擦叠焊单元成形过程中的消耗极焊棒和基体母材的材料均选用7075铝合金, 7075铝合金的相关化学组成^[10]如表 1所示, 材料的力学参数和热物理参数分别如表 2和表 3所示, 其泊松比为0.3, 密度为2 800 kg·m^-3.

表 1(Table 1)

表 1 7075铝合金的化学组成(质量分数) Table 1 Chemical components of 7075 aluminum alloy (mass fraction) % Al Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn 88.87 0.4 0.5 1.6 0.3 2.5 0.23 5.6

表 1 7075铝合金的化学组成(质量分数) Table 1 Chemical components of 7075 aluminum alloy (mass fraction)

表 2(Table 2)

表 2 材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of materials θ/℃ 20 100 150 200 300 400 500 弹性模量/GPa 71.0 65.2 60.6 56.2 37.9 31.5 25.0

表 2 材料的力学性能 Table 2 Mechanical properties of materials

表 3(Table 3)

表 3 材料的热物理特性 Table 3 Thermal physical properties of materials θ 导热系数 比热容 ℃ W·m-1·K-1 J·kg-1·K-1 20 114.8 835.4 100 128.4 897.0 150 135.7 916.3 200 142.2 974.0 300 152.7 1 012.5 400 160.8 1 128.0 500 166.7 1 205.0

表 3 材料的热物理特性 Table 3 Thermal physical properties of materials

焊棒和母材基体为轴对称工件, 焊棒绕轴向方向做旋转运动, 并只受到轴向工作压力, 故为了减小计算成本, 在有限元软件中可建立二维轴对称模型.为了研究不同试件形状对摩擦叠焊单元成形的影响, 对于不同的焊接仿真组均采用相同的焊接参数, 焊接压力为17 kN, 焊棒旋转速度为4 000 r/min.基体母材是完全固定在实验台上的, 所以在模拟过程中, 基体设置为全约束, 具体设置方法如图 2所示.单元类型为线性、可承受压力、可扭曲的4节点轴对称热-位移耦合单元.通过FRIC子程序来描述接触界面的摩擦现象.焊接过程中, 焊棒、基体母材与周围环境通过接触散热、热辐射以及对流散热等形式进行热量的交换.初始时刻环境温度和焊棒温度均为室温293 K.

图 2(Fig. 2)

图 2 模型的有限元网格划分及约束条件 Fig.2 Finite element division and constraint conditions of the simulation model

根据摩擦叠焊单元成形的原理, 在对模型初始网格划分时, 在模型的关键位置进行网格的局部细化, 使得计算时能更好的收敛, 如图 2所示.同时使用了网络重划分和映射技术，当计算过程中网格畸变过大时, 终止有限元计算并提取出变形后的轮廓, 在其基础上对网格进行重新划分, 然后再对模型装配、边界条件和载荷等选项进行操作, 将计算结果映射到重新划分网格后的模型上继续计算.

图 3为图 1中模型A摩擦叠焊单元成形的整个过程.模型开始的温度为室温20 ℃，见图 3a, 焊棒旋转并施加轴向压力后, 焊棒和基体母材相互摩擦, 温度逐渐升高, 产生塑性金属, 见图 3b.随着焊接不断地进行, 在轴向力和温度等因素的共同作用下, 焊棒边缘的塑性金属会脱离摩擦面而形成翻边, 见图 3c.同时随着翻边的不断增大, 这部分塑性金属又会与焊孔侧壁接触摩擦和挤压, 温度再次升高, 见图 3d.随后剪切面会不断地向上移动, 持续填充焊孔, 见图 3e, 直至焊孔填充完毕, 整个摩擦叠焊单元成形完成, 如图 3f所示.其温度变化过程与Cui等^[7]的实验结果较为接近, 二者的差异主要由现有模型参数不确定以及实验误差引起, 但它们的变化趋势基本一致, 可以验证模型基本可靠.

图 3(Fig. 3)

图 3 摩擦叠焊单元成形过程 Fig.3 Forming process of FHPP (a)—初始；(b)—产生塑性；(c)—翻边形成；(d)—摩擦挤压升温；(e)—填充；(f)—焊接单元成形完成.

模型A~C试件的温度云图及变形情况如图 4所示, 由仿真结果可以看到, 模型A和模型C在焊孔的底部存在着明显的焊接缺陷.模型B沿焊棒与母材基体摩擦界面的温度分布如图 5a所示，从图中可得出，沿着底边的温度呈现先增大后减小, 再增大的分布情况, 并且在焊棒的边缘位置达到最高温度457 ℃, 说明焊棒周围材料已经达到黏塑性状态.模型B的应力分布如图 5b所示，底边各点随着线速度的不断变大, 其温度上升速率越高, 各点的温度不断升高, 导致应力下降.在焊棒边缘处, 应力场有小幅的上涨, 约为15 MPa.根据温度及应力值可知, 模型B可以实现良好的固态连接.

图 4(Fig. 4)

图 4 模型A~C的仿真模拟结果 Fig.4 Simulated results of models A~C (a)—试件模型A；(b)—试件模型B；(c)—试件模型C.

图 5(Fig. 5)

图 5 模型B焊棒底部温度及应力分布 Fig.5 Temperature distribution and stress distribution along the bottom of rods of model B (a)—温度分布；(b)—应力分布.

模型D~E试件的温度云图及变形情况如图 6所示, 由仿真结果可以看到, 焊棒和焊孔具有相同的倒角或圆角, 模型D在焊孔的底部并没有出现明显缺陷, 而模型E在焊孔的底部出现了缺陷.模型D沿焊棒与母材基体摩擦界面的温度分布和应力分布如图 7所示, 其中温度变化及应力变化与模型B类似, 焊棒边缘温度约为460 ℃, 应力约为15 MPa, 因此模型D也可以实现良好的固态连接.

图 6(Fig. 6)

图 6 试件模型D，E的仿真模拟结果 Fig.6 Simulated results of models D and E (a)—试件模型D；(b)—试件模型E.

图 7(Fig. 7)

图 7 模型D焊棒底部温度及应力分布 Fig.7 Temperature distribution and stress distribution along the bottom of rods of model D (a)—温度分布；(b)—应力分布.

从这两组试件可以看出，焊接缺陷的产生与试件形状有较大关系.对比模型B与模型D, 模型E与模型C, 区别在于焊棒是否具有与焊孔相同的形状, 但是焊孔具有圆角的模型B和模型D都没有焊接缺陷, 而具有倒角的模型C和模型E均有焊接缺陷, 可以看出焊孔的形状相比于焊棒的形状更能影响焊接质量.当焊棒与焊孔相互接触摩擦生热时, 材料的屈服强度随着温度的升高而降低.随着焊接的进行, 产生塑性金属, 由于焊棒和焊孔间隙处的阻碍作用小, 焊棒所产生的塑性金属受到轴向力的挤压脱离摩擦界面, 这部分金属不断地填充到间隙中.不同的焊孔形状对塑性金属所产生的阻碍作用会有所差异, 带有直角的焊孔对塑性金属的流动阻碍作用比较大, 塑性金属对这部分区域无法完整地填充, 容易产生缺陷.而带有圆角焊孔对塑性金属的流动阻碍作用小, 焊孔底部填充完整, 得到比较好的焊接质量.

1) 试件形状对摩擦叠焊的温度场分布影响并不十分明显, 7075铝合金摩擦叠焊的峰值温度位于焊棒端部边缘位置, 低于材料熔点, 说明在焊接过程中没有出现材料的熔化, 为固相连接, 同时其温度的变化趋势可以验证模型的可靠性.

2) 焊孔的形状比焊棒的形状对于焊接质量的影响更大.不同的焊孔形状对塑性金属所产生的阻碍作用会有所差异, 带有直角的焊孔对塑性金属的流动阻碍作用最大, 带有倒角的焊孔次之.而带有圆角的焊孔阻碍作用最小, 更容易得到较好的焊接质量.