1. 引言
铝合金具有密度低、强度高、抗冲击性和耐腐蚀性高等特性。随着铝合金应用越来越广泛，单一铝合金的性能已经不能满足实际工况需要，异种铝合金被广泛应用于机械制造的各个领域，特别是航空航天领域 [1] 。搅拌摩擦焊(FSW)是英国焊接研究所于20世纪末发明的一种新型固相焊接技术，已经成为一种非常适合连接许多难焊接金属的独特技术，尤其是高强度铝合金和一些异种金属 [2] 。国内外前期对搅拌摩擦焊接的数值模拟主要采用简化热源模型的方法来模拟摩擦搅拌焊接，而陈彦君 [3] 采用了任意的拉格朗日–欧拉方法(ALE)相比于简化热源得到了更加准确的结果，马英磊 [4] 采用了CEL方法模拟了异种铝合金搅拌摩擦的全过程。戈翔宇 [5] 国内首次在CEL的基础上采用质量缩放技术加速了计算效率，侯曾 [6] 在CEL的基础上，进一步研究了不同旋转速度和焊接速度对焊接温度场分布结果的影响，结果表明其模型能很好的预测结果的准确，孙甲尧 [7] 等通过对A356/6061异种铝合金搅拌摩擦焊接的实验研究表明，焊速较低时A356置于前进侧有利于获得较高的接头性能，焊速较高时6061置于前进侧有利于获得较高的接头性能。然而国内少有对A356/6061异种铝合金搅拌摩擦数值模拟的研究，所以本文将利用Abaqus商业仿真软件研究其不同焊接参数情况下温度场的数值。
2. 数值模型的构建
2.1. 几何模型及网格划分
为了简化计算，提高计算效率。本文对搅拌头几何模型进行了简化，忽略了螺纹和轴肩上部，其它尺寸完全一致如图1。此外搅拌头采用四结点热耦合四面体单元(C3D4T)进行网格划分。焊板被视为一个同实际焊材大小相同的欧拉域，其大小为200 mm × 150 mm × 5 mm，如图2所示。此外对焊板进行局部网格划分在焊逢附近采用大小为0.5 mm的网格单元，远离焊缝区域采用大小为2mm的网格单元提高计算效率。其网格类型为8结点热耦合纯属欧拉六面体单元(EC3D8RT)。
2.2. 材料属性
搅拌摩擦焊接属于热力耦合的模拟，材料的热导率，弹性模量，膨胀系数，比热容，等性质随温度的变化而变化。密度和泊松比随温度变化很小，本次模拟设置密度和泊松比为定值，A356的密度为2.66 kg/mm3，泊松比为0.33。6061的密度为2.7 kg/mm3，泊松比为0.33。查阅文献 [4] [8] 得到6061和A356的热物性参数如表1和表2。搅拌头采用耐高温的工具钢材，其材料参数如表3 [6] 。
Figure 1. 3D simplification and physical image of mixing head
图1. 搅拌头三维简化及实物图
Table 1. 6061 Thermophysical parameters
表1. 6061热物性参数
Table 2. A356 Thermophysical parameters
表2. A356热物性参数
Table 3. Mixing head material parameters
表3. 搅拌头材料参数
此外，搅拌摩擦焊接过程会发生复杂的材料流动，abaqus中通常利用johnson cook模型描述大应变、高应变率、高温环境下金属材料的强度极限以及失效过程。johnson cook的本构方程如下：
通过查阅相关文献 [9] [10] 得到A356和6061的johnson cook模型参数如表4。
Table 4. Johnson cook model parameters
表4. Johnson cook模型参数
2.3. 装配及分析步
将搅拌头置于距焊缝起始位置15 mm，贴于焊板的表面。设定三个分析步类型均为动力，温度–位移，显示。开启几何非线性，其中下压分析步搅拌头旋转向下时间为2 s，预热分析步搅拌头不在向下而是原地保持转速2 s，加工阶段搅拌头沿焊缝加工持续36 s。
2.4. 相互作用及载荷
焊接板材被定义为欧拉实体，搅拌头利用参考点进行刚体绑定，搅拌摩擦焊接过程存在着热量传递，焊板底部实际过程中与砧板接触，存在着较大热量交换，本文省略了砧板的模型。焊板四周和上表面与空气存在热交换。参考文献( [6] , p. 40)得到换热系数如表5。
搅拌头与焊板之间存在接触，Abaqus中通过通用接触来描述。接触类型中，切向行为选择罚函数，摩擦系数选取0.3 [9] ，在法向行为上选择硬接触。由摩擦产生的耗散能百分数为0.8 [3] 。实际工况为防止焊接过程中焊板移动会将焊板固定，Abaqus中在初始分析步中将焊板底部完全固定直到焊接结束。对搅拌头绑定刚体约束的参考点进行转速和速度边界条件的施加。模型在计算前还需要设置一个初始温度场，初始温度为室温20℃。
2.5. 质量缩放
ALE模型可以利用质量缩放达到效果，但是对CEL的模型似乎并不起作用。文献 [5] 已验证采用人为的增加材料的密度和引入修正的比热容的方法，来达到计算结果较为准确的情况下提高了计算效率。所以本文采用同样的方法，设置放大系数km = 10,000。要保证结果的可信，其在焊接的过程中动能要远小内能，通常需小于1%。如图3所示，动能与内能的比值可以看出在下压阶段其值达到最大但远小于1%，可以认为结果较为准确。
Figure 3. Kinetic energy/Internal energy diagram
图3. 动能/内能图
3. 仿真结果分析
3.1. 转速对温度场的影响
保持200 mm/min的焊接速度，分别取转速为1150 rpm，1100 rpm，1000 rpm，其他参数保持不变来对比稳定焊接阶段开始，焊接中期，焊接结束的结果。
3.1.1. 焊接参数1150 rpm的结果
由图4和图5(a)可知，在1150 rmp转速下温度峰值最高达到了635℃，但并未达到6061铝合金熔点650℃，在加工起始到加工阶段中期温度升高了123℃，而在后半段温度仅仅升高了17℃，且加工开始至1.8 s内温度迅速由495℃升高至595℃，然后至36 s期间温度缓慢升温至635℃。隐藏6061半边焊板和搅拌头，提取A356焊板峰值温度得图5(b)，可知在加工33 s后其温度峰值达到A356铝合金熔点612.5℃，A356焊板出现了部分融化现象。
(a) 开始 (b) 中期 (c) 结束
Figure 4. Cloud chart of three stages of welding processing
图4. 焊接加工三个阶段云图
(a) 焊接加工阶段温度峰值 (b) A356焊板温度峰值
Figure 5. Temperature peak during welding processing stage
图5. 焊接加工阶段温度峰值
3.1.2. 焊接参数1100 rpm的结果
当转速由1150 rpm降低至1100 rpm时，由图6和图7(a)可知其温度峰值由635℃降低为620℃，加工起始阶段到加工中期温度上升了129℃，中期至加工结束温度上升了12℃，且温度峰值由加工起
(a) 开始 (b) 中期 (c) 结束
Figure 6. Cloud chart of three stages of welding processing
图6. 焊接加工三个阶段云图
(a) 焊接加工阶段温度峰值 (b) A356焊板温度峰值
Figure 7. Temperature peak during welding processing stag
图7. 焊接加工阶段温度峰值
始至1.8 s温度迅速上升至578℃，随后缓慢上升至620℃。由图7(b)可知降低转速A356半边焊板达到的峰值温度更低且达到部件熔点的时间更长。
3.1.3. 焊接参数1000 rpm的结果
由图8及图9(a)可知转速为1000 rmp时加工阶段初期至中期温度上升了138℃，由中期至结束温度上升了13℃，且在加工开始至1.8 s温度迅速由452℃上升至546℃，1.8 s至结束温度缓慢上升至603℃。图9(b)可知当降低转速至1000 rmp时A356半边焊板温度峰值始终未超过A356铝合金熔点612.5℃，符合搅拌摩擦焊接的要求。
3.1.4. 小结
通过改变焊接转速发现，转速的提高会使整个焊接过程温度峰值增大，整理结果如表6，且由于两种铝合金的熔点不同，焊接过程需满足温度峰值小于熔点较小的铝合金熔点，通过仿真发现转速1000 rmp符合要求。比较三个焊接转速的仿真结果温度都是在加工阶段1.8 s内迅速升温，随后缓慢上升至峰值，且转速越低其迅速上升阶段上升温差越大，其是因为转速越高，其预热阶段结束温度值越大，加工迅速升温阶段相同时间内温差就越小。通过图10对比三种参数下A356半边焊板的温度峰值，可知转速越大其达到熔点的时间越短，融化的部分越多，易造成焊接缺陷。
(a) 开始 (b) 中期 (c) 结束
Figure 8. Cloud chart of three stages of welding processing
图8. 焊接加工三个阶段云图
(a) 焊接加工阶段温度峰值 (b) A356焊板温度峰值
Figure 9. Temperature peak during welding processing stag
图9. 焊接加工阶段温度峰值
Figure 10. Temperature peak of A356 half welded plate with different parameters
图10. 不同参数A356半边焊板温度峰值
Table 6. Temperature at different speeds
表6. 不同转速下的温度
3.2. 焊接速度对温度场的影响
保持1150 rpm转速不变，分别取200 mm/min，175 mm/min，150 mm/min的焊接速度来对比焊接加工阶段起始，中期，结束三个阶段的结果。
3.2.1. 焊接速度175 mm/min的结果
对比图11和图4发现200 mm/min和175 mm/min焊接速度下其温度峰值几乎大小相等，由图12(a)可知加工阶段初始温度迅速升温然后缓慢升温至636℃，加工结束时会有微小的降低。由图12(b)知在加工阶段未到达中期其温度峰值已达熔点，意味着更小的焊接速度搅拌头与焊板摩擦时间越长产生的热量会越多，从而会使A356更快的超过熔点，出现融化现象。
(a) 开始 (b) 中期 (c) 结束
Figure 11. Cloud map of welding processing stage
图11. 焊接加工阶段云图
(a) 焊接加工阶段温度峰值 (b) A356焊板温度峰值
Figure 12. Peak welding processing temperature
图12. 焊接加工温度峰值
3.2.2. 焊接速度150 mm/min的结果
由图13和图14(a)可知当焊接速度为150 mm/min时温度峰值在加工阶段前期温度迅速上升，随后温度缓慢上升至634℃，加工结束时温度降低至626℃，会出现双峰现象。由图14(b)可知A356焊板自21 s后接近其熔点随后出现融化现象。
3.2.3. 小结
当焊接速度分别取200 mm/min，175 mm/min，150 mm/min时其温度峰值几乎相同并整理在表7，焊接速度对温度峰值的变化影响很小。由图15可知当转速取1150 rpm前提下，取200 mm/min，175 mm/min，150 mm/min焊速，其分别在34 s，14 s，21 s，附近达到熔点，占总的加工阶段时间的94%，34%，和43%。因此对整个加工阶段时长相对来说在150~200 mm/min之间会出现A356半边焊板达到熔点的最短时间。
(a) 开始 (b) 中期 (c) 结束
Figure 13. Cloud map of welding processing stage
图13. 焊接加工阶段云图
(a) 焊接加工阶段温度峰值 (b) A356焊板温度峰值
Figure 14. Peak welding processing temperature
图14. 焊接加工温度峰值
Table 7. Temperature at different welding speeds
表7. 不同焊速下的温度
4. 结论
在焊速保持200 mm/min及其他条件不变的情况下，转速越大其温度峰值越大，且在三种参数比较下，只有在转速1000 rpm下，异种铝合金中较低熔点的A356加工全程未超过熔点，符合搅拌摩擦焊接的要求。在保持转速1150 rpm及其他条件不变的情况下，焊速的改变对焊接温度峰值影响较小，且在150~200 mm/min焊速之间会出现相对来说最早达到A356的熔点，出现融化现象造成焊接缺陷。
Figure 15. Temperature peak of A356 half welded plate with different parameters
图15. 不同参数A356半边焊板温度峰值
基金项目
高性能轻量化合金材料与成型技术研发及产业化——大尺寸高强韧铝合金轮毂的复合成型制造关键技术研究及应用项目(2022C01203)。