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作者：張毅

   有研究發(fā)現(xiàn)，約75%的油耗與汽車自重有關(guān)，因此，汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與輕量化已成為汽車行業(yè)一大發(fā)展趨勢。其中，鋁合金輪轂由于其良好的剛性、彈性、散熱性和輕便性正逐漸替代傳統(tǒng)的鋼制輪轂。攪拌摩擦焊接技術(shù)（簡稱FSW）是一種固相連接技術(shù)，現(xiàn)已發(fā)展成為鋁合金等輕質(zhì)合金材料首選連接技術(shù)之一，并成功地應(yīng)用在本田、通用、福特、大眾等品牌的汽車零部件制造中。同時，鋁合金的攪拌摩擦焊接技術(shù)也受到科研機構(gòu)和研究者的關(guān)注。中航工業(yè)北京賽福斯特技術(shù)有限公司成功實現(xiàn)了30 mm厚的簡體結(jié)構(gòu)的攪拌摩擦焊接，掌握了高強度鋁合金筒體類結(jié)構(gòu)件的制造工藝。軟件實現(xiàn)了鋁合金輪輞的制造工藝對成形過程影響的模擬，并與試驗結(jié)果符合較好。軟件建立了汽車用2219鋁合金的攪拌摩擦焊接仿真模型，分析了FSW焊接溫度場與殘余應(yīng)力的分布規(guī)律。軟件模擬了汽車輪轂焊接過程的溫度場分布，并通過試驗驗證了模型的有效性和可用性。依據(jù)FSW試驗參數(shù)與條件，應(yīng)用有限元方程模擬汽車輪轂FSW過程的熱循環(huán)歷程，并與試驗結(jié)果中熔池和焊縫形貌進行對比，從而驗證了模型的正確性。上述試驗研究與數(shù)值計算都是基于傳統(tǒng)熱力學(xué)方程，對FSW焊接產(chǎn)熱機制的分析不足，本課題根據(jù)能量守恒原理，通過微積分方程并考慮了功能轉(zhuǎn)化的效率推導(dǎo)出軸肩與攪拌針作用域的產(chǎn)熱方程，利用移動坐標系轉(zhuǎn)換方法建立了攪拌摩擦焊接傳熱模型。

1  輪輞FSW計算模型建立

  隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，在工程領(lǐng)域中，尤其是材料加工過程中應(yīng)用越來越廣，一般來說，如鑄造等通常都涉及溫度場、流場、結(jié)構(gòu)力學(xué)等多物理場相互強耦合的作用，其物理化學(xué)過程都不是單獨存在的，存在多物理系統(tǒng)的耦合。一個完整、合理的有限元計算模型包括以下幾部分：模型簡化和假設(shè)、三維建模、材料屬性的賦值、部件間接觸關(guān)系及運動關(guān)系的定義、幾何模型網(wǎng)格化、分析步設(shè)置及求解方法選擇等。

1.1  輪輞幾何模型與材料屬性

  圖1為汽車輪輞三維模型，空間結(jié)構(gòu)為關(guān)于輪輻中心對稱的十輪輻結(jié)構(gòu)，由于研究的重點是攪拌頭附近區(qū)域的熱傳導(dǎo)問題，按圖示虛線截取其對稱結(jié)構(gòu)，這大大簡化了計算模型。輪輞材質(zhì)是A356鋁合金。表1為A356鋁合金的熱物性參數(shù)。

在此面積微元作用域上的摩擦力d f為：

根據(jù)能量守恒定律，攪拌頭軸肩與焊件間約有90%的摩擦功會轉(zhuǎn)化為熱能，其余摩擦熱以對流或熱輻射的方式傳遞耗散。作用于軸肩作用區(qū)微元上單位時間內(nèi)的熱流密度d q f可表示為：

因此，作用在攪拌頭軸肩與焊件接觸表面上的總摩擦熱量Qs為：

1.4模型網(wǎng)格化及求解器選擇

  由于該輪轂局部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，再加上其幾何構(gòu)型的不規(guī)則�；�于上述原因，既考慮有限元模擬的精度又兼顧計算的效率，本研究采用自由四面體網(wǎng)格進行幾何模型的網(wǎng)格劃分，并在局部區(qū)域結(jié)合采取網(wǎng)格加密處理，圖4是經(jīng)網(wǎng)格化后的有限元網(wǎng)格模型。求解器采用UM-

FPACK求解器。

2  分析與討論

  攪拌摩擦焊接溫度場可以作為焊接過程中所產(chǎn)生熱能的量度，研究攪拌摩擦焊接溫度場，以及工件中能量分布情況對了解和掌握攪拌摩擦焊接的熱循環(huán)歷程具有重要的意義。此外焊接溫度場分布對于攪拌頭工具的磨損和使用壽命等有直接影響，并最終影響焊件的焊接質(zhì)量。

  圖5為攪拌摩擦焊接過程中輪輞的溫度云圖�？梢钥闯�，與攪拌頭接觸的焊材溫度場呈圓環(huán)狀分布，焊接溫度由軸肩接觸區(qū)域向四周焊材成橢圓狀逐漸降低。在軸肩作用域前側(cè)處溫度略低于后側(cè)處溫度，這種現(xiàn)象主要是由二次預(yù)熱造成的；輪輞熱影響區(qū)( HAZ)的面積較大，這是由于輪輞材料為鋁合金，其比熱容與導(dǎo)熱系數(shù)都較大，焊接熱量傳遞速度快導(dǎo)致的。FSW焊接過程中輪轂的峰值溫度約為840 K，低于輪輞母材的熔點，位于攪拌頭后部4.6 mm的位置。以攪拌頭前進方向為參考，焊接溫度梯度呈現(xiàn)前大后小的分布特點，與試驗測定的攪拌摩擦焊接溫度分布規(guī)律類似，見圖6。伴隨著攪拌頭的向前移動，當(dāng)攪拌頭到達輪輞中部時輪輞的高溫區(qū)域（見圖6中間亮色區(qū)域）面積較大，而在輪輞兩端位置高溫區(qū)域面積較小，這是因為輪輞兩端的散熱速度較快的緣故。

  圖7為輪輞焊縫形貌的模擬結(jié)果輪輞焊縫形貌試驗結(jié)果對比。相同的FSW焊接工藝參數(shù)進行輪輞的焊接模擬，并與其試驗結(jié)果對比可知，二者的焊縫形態(tài)都呈杯錐形狀（出現(xiàn)這種焊縫結(jié)構(gòu)的原因，攪拌頭具有較大直徑的軸肩，其作用于焊材上表面；攪拌針為圓錐形，作用于焊縫深度方向，這樣工作的結(jié)果最終導(dǎo)致焊縫上表面較寬而下表面成圓錐形分布），且尺寸相差不大。通過對比，驗證了FSW焊接模型的可靠性。  

為分析焊接工藝參數(shù)對輪輞攪拌摩擦焊接溫度場的影響，將焊接速度和下壓量固定，采用不同的攪拌頭轉(zhuǎn)速進行輪輞的焊接模擬，獲得了輪輞接合線處的溫度分布曲線的仿真結(jié)果，見圖9。由圖9可以看出，隨著轉(zhuǎn)速從700 r／min提高到1 200 r／min，峰值溫度從689K升高到742 K左右，接合線處的溫度逐漸增加。究其緣由，由于攪拌摩擦焊接的主要熱輸入為攪拌頭與焊材的摩擦熱，焊接速率與下壓力固定不變時，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速提高，在單位時間內(nèi)，攪拌頭與焊材的摩擦剪切次數(shù)越多，隨之產(chǎn)生的摩擦熱量就增加了，最終導(dǎo)致焊材溫度的升高。這種現(xiàn)象同時也可以從圖9中看出，由圖9前后緣溫度曲線可知，當(dāng)下壓力與焊接速度一定時，攪拌頭前后緣處輪輞溫度隨著轉(zhuǎn)速的增加而增加，只是攪拌頭前緣的溫度隨轉(zhuǎn)速增加差異明顯，而后緣的溫度差異不大，但是變化趨勢是一致的，并且攪拌頭后緣的溫度明顯高于攪拌頭前緣的溫度。這是因為鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)較大，導(dǎo)熱性好，熱量傳遞速度快，導(dǎo)致焊縫以外的輪輞區(qū)域溫度差異不大；而前后緣的溫度差異原因還在于，攪拌頭后緣處焊材受到前方攪拌頭工作產(chǎn)生的摩擦熱的二次加熱。

3  結(jié)  論

  (1) FSW焊接過程中輪轂的峰值溫度約為840 K，位于攪拌頭后部4.6 mm的位置。攪拌頭接觸的焊材溫度場呈圓環(huán)狀分布，焊接溫度由軸肩接觸區(qū)域向四周焊材成橢圓狀降低。

  (2)通過與相同焊接工藝參數(shù)下輪輞FSW焊縫輪廓形貌試驗結(jié)果對比，驗證了建立的攪拌摩擦焊接傳熱模型的有效性和準確性，可用于預(yù)測和優(yōu)化輪輞攪拌摩擦焊接工藝參數(shù)。

(3)焊接速率與下壓量一定的情況下，隨著攪拌頭轉(zhuǎn)速的增加，輪輞接合線處的溫度逐漸增加；攪拌頭前后緣處輪輞溫度隨著轉(zhuǎn)速增加而增加，只是攪拌頭前緣的溫度隨轉(zhuǎn)速增加差異明顯，而后緣的溫度差異不大，但是變化趨勢是一致的。 

4 摘要為模擬A356鋁合金汽車輪輞的攪拌摩擦焊接，利用移動坐標系坐標轉(zhuǎn)換方法，基于傅里葉定律定義了引入焊接速度項的熱傳導(dǎo)控制方程以降低建模難度。摩擦產(chǎn)熱采用剪切摩擦模型，根據(jù)能量守恒定律，通過微積分方程并考慮了功能轉(zhuǎn)化的效率，合理推導(dǎo)出軸肩與攪拌針作用域的產(chǎn)熱公式，并根據(jù)輪輞對稱結(jié)構(gòu)簡化計算模型，進而建立輪輞的攪拌摩擦焊接傳熱模型。通過相同焊接工藝條件下輪輞焊縫輪廓形貌模擬與試驗結(jié)果對比，驗證了建立的攪拌摩擦焊接傳熱模型的有效性和準確性，可用于優(yōu)化輪輞焊接工藝參數(shù)和研究輪輞攪拌摩擦焊接機制。