AFAM 7050铝合金的数值模拟

刘清贤，杨滨，东青，孙奖

1北京科技大学，北京，100083；2先进技术研究院，西雅图，98033

引言

搅拌摩擦焊（FSW）是英国焊接技术研究所（TWI）于1991年发明的一种固相连接方法。由于它具有力学性能优异、效率高、污染小等诸多优点，适合铝镁等有色金属及其合金的焊接，自发明初就得到了人们广泛关注和深入研究。

搅拌摩擦焊增材制造（AFAM）是基于现有的搅拌摩擦焊技术，将其机理延伸和拓展到增材制造领域的新技术。在增材制造中，残余应力严重影响材料的疲劳寿命和稳定性，同时温度场是影响材料应力场的重要因素。由于温度难以准确实时监测，无法精准评估其对应力场的影响，因此有必要对温度场和残余应力进行数值模拟。张昭[1]等人提出了双轴肩搅拌头产热功率的计算方法，实现了对搅拌摩擦焊接T型接头残余状态的预测。Khandkar[2]等人模拟了6061和2024两种铝合金的搅拌摩擦焊接后的残余应力，实验结果趋势和Sutton[3]等人的大致吻合。本文基于完全热力耦合模型，建立了热输入功率和转速之间的关系，实现了温度场的模拟，并在温度场的基础上进行了残余应力的模拟。

1 数值模拟建模

1.1 有限元模型

采用八节点实体导热单元solid70，基板尺寸为150×40×8mm，增材尺寸为150×10×8mm，搅拌头轴肩直径20mm，进行不均匀网格划分，共划分网格29899个，单元25600个。

1.2 材料的热物性参数

选取实验材料为7050铝合金，基板尺寸150×40×8mm，增材宽度为10mm.搅拌头为钨钢，实验材料的具体热物性参数如见表1：

泊松比为0.33，

表1 7050铝合金不同温度下热物性参数

搅拌头转速750r/min，行进速度60 mm/min。

1.3 热源模型

搅拌摩擦焊的主要热源是摩擦生热，由于AFAM中没有搅拌针，故轴肩成为主要热源，因此采用面热源模型。热流密度可以表示为：

其中R为轴肩半径，0＜r＜R，Q为热输入功率。其中，扭矩和转速之间关系如下式[4]：

其中w为搅拌头转速。

1.4 边界条件

假设搅拌头和基板结合面不发生热量交换，其他和空气接触的面的换热系数18 W＊（m2＊℃），垫板和空气的换热系数1800 W＊（m2＊℃），环境温度10℃。

1.5 残余应力模拟

进行残余应力模拟前需要载入温度场文件，然后施加载荷进行求解。由于焊接属于大变形，在设定分析选项时，需要打开大变形选项。用Newton-Rahpson迭代法进行求解。

图1 时间为6，80，156s时温度场云图

2 结果与讨论

2.1 温度场模拟结果

在搅拌头转速为750 r/min，前进速度为60 mm/min条件下，搅拌头预热时间6s，焊接时间150s，冷却时间154s。焊接结束时温度场如下图所示。由图1可知，温度的分布呈现椭球形，最高温度范围在轴肩内，表明了轴肩是增材制造的主要热源。

整个焊接过程可以分为：

（1）初始升温过程，此时峰值温度比较预热结束约上升100℃；

（2）增材制造达到稳定后，峰值温度随之稳定；

（3）增材制造结束，温度有所上升。结合实际增材制造过程，这是由于增材制造过程趋近于结束时，垫板散热面积较初始下降，而产热量不变，造成单位时间内产热大于散热，从而推动增材制造结束时温度上升。同时，在接近结束时，垫板本身也存在热量累积，也会导致温度上升。

图2 不同位置温度变化曲线图

图3 不同位置残余应力曲线图

图2为焊缝中心线方向上表面距离初始位置30、60、90、120mm处各点温度随时间变化情况。由图2可知，随搅拌头向前移动，各处温度依次达到峰值，然后迅速下降。

2.2 残余应力模拟结果

图3是增材样件上表面垂直于焊缝中心线处纵向、横向以及厚度方向残余应力的数值模拟变化曲线。由图3可知，厚度方向的残余应力几乎为0，可以忽略，主要残余应力为纵向残余应力。造成这一规律的主要原因是在增材制造过程中，铝合金同时受到温度场和搅拌头轴肩的应力作用，当轴肩搅拌到此处时，产生热量的扩散，由于温度的下降容易发生材料的收缩，同时周围的材料约束作用进而产生了纵向残余应力。在增材制造过程中没有发生相变，这种不稳定状态随着冷却保留到室温状态。

从样件上表面到下表面残余应力逐渐递减，从拉应力转变为压应力。此规律和温度场的分布基本相同，验证了温度场产生的热应力是增材制造的残余应力的主要影响因素。由于单位长度的焊缝的热输入量和焊接速度二者呈负相关，即焊接速度减小，单位长度的热输入量增大[5]。利用此特性，可以有效减小增材制造过程中的局部区域受热不均匀，从而减小增材制造的残余应力。

3 结论

1.在转速750 r/min，行进速度60mm/min时，7050铝合金AFAM的峰值温度在500℃范围内，在固相线以下；

2.残余应力主要为纵向残余应力，在轴肩以内为拉应力，以外为压应力；厚度方向数值很小，几乎不变；

3.热应力是残余应力的主要影响因素，残余应力的分布与热应力有关。

参考文献

[1]张昭，刘会杰.搅拌头形状对搅拌摩擦焊材料变形和温度场的影响[J].焊接学报，2011，32（3）：5-8.

[2]Khandkar M Z H，Khan J A，Reynolds A P，et al. Predicting residual thermal stresses in friction stir welded metals[J]. Journal of Materials Processing Tech，2006，174（1-3）：195-203.

[3]Sutton M A，Reynolds A P，Wang D Q，et al. A Study of Residual Stresses and Microstructure in 2024-T3 Aluminum Friction Stir Butt Welds[J]. Journal of Engineering Materials &Technology，2002，124（4）：215-221.

[4]张正伟. 搅拌摩擦焊接构件残余状态和疲劳寿命研究[D]. 大连理工大学，2014.

[5]王大勇，冯吉才，王攀峰. 搅拌摩擦焊接热输入数值模型[J]. 焊接学报，2005，26（3）：25-28.