A356/6061异种铝合金搅拌摩擦的数值模拟

本文在基于Abaqus仿真软件的基础下，利用耦合欧拉–拉格朗日(CEL)方法研究了A356/6061异种铝合金在不同焊接参数下其温度场的影响，结果发现焊接转速越大其温度峰值越高，而焊接速度对其温度峰值影响很小，低焊速却会使较低熔点的铝合金过早出现融化现象，造成焊接缺陷。本文也为后续A356/6061异种铝合金的研究提供了帮助。

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]。