摩擦焊接工藝參數在不同施加方式下的比較研究

李衛民，趙旭東，李 巖

摩擦焊接工藝參數在不同施加方式下的比較研究

李衛民1，趙旭東1，李 巖2

（1. 遼寧工業大學 機械工程與自動化學院，遼寧 錦州 121001；2. 錦州師范高等?？茖W校 機械電子工程系，遼寧 錦州 121001）

基于連續驅動摩擦焊接原理，建立了兩空心軸用于有限元分析的簡化模型，運用直接耦合法并通過插入命令流的方式完成摩擦生熱的高度非線性問題的求解。在研究中根據實際工況對壓力加載以及位移-壓力加載2種不同的焊接工藝參數的加載方式進行了比較研究，研究發現位移-壓力加載方式相比于壓力加載方式產熱更加迅速，應用位移-壓力加載方式完成焊接相對應摩擦焊機更加節能。而后對焊接軸向縮短量進行了數值模擬，最后對摩擦焊接數值模擬中的幾點關鍵性技術進行了總結與討論。

連續驅動摩擦焊；有限元分析；非線性分析；摩擦生熱分析

隨著工業化程度的提高，一些形狀復雜的零件、需要采用不同材料的零件和加工工藝較復雜的整體等，這些工藝更多的傾向于焊接式結構。摩擦焊接技術憑借其高效、清潔、精密、節能環保以及優質等特點，在高新技術產業和傳統機加行業具有巨大的技術潛力和廣闊的市場應用前景[1-2]。

在摩擦焊接各參數對焊接質量影響的研究中，通過查閱文獻及工廠實際調研得出，當使用不同類型摩擦焊機進行焊接時，根據實際工況焊接方法一般可分為兩類：一類是主軸高速旋轉，移動端焊件與旋轉端焊件接觸后，通過液壓缸輸出的較大壓力直接作用在焊件接觸面上并維持該壓力達到預定時間滿足焊接要求后，再由液壓缸施加一個頂鍛力完成焊接。第二類方法是當移動端焊件與旋轉端焊件接觸后，由液壓缸施加一個摩擦壓力的同時并由移動端焊件向旋轉端焊件移動一端距離達到焊接要求后，再由液壓缸施加一個頂鍛力完成焊接。文獻[3-6]主要集中在第一種焊接方法用于焊接機理的研究。本文在上述參考文獻研究成果基礎上，建立了2種工藝參數加載方式下的有限元模型，采用數值模擬的方法進一步的對這兩種焊接方法進行比較研究，并對摩擦焊接數值模擬中的幾點關鍵性技術進行了總結與討論。

1 摩擦焊有限元模型的建立

研究中，以直徑為15~7.5的35鋼空心焊件為例進行研究，35鋼作為中碳鋼的一種具有良好的塑性及切削加工性能，材料的屬性如表1所示，熱物性參數如表2所示。

表1 35鋼材料屬性

表2 材料熱物性參數

摩擦焊接的眾多工藝參數最終都影響著接頭的焊合溫度，溫度是否接近焊接母材的熔點，決定著整個焊合過程的質量是否滿足要求，因此焊合接頭的溫度場分析結果是否準確顯得尤為重要。摩擦生熱問題，從能量角度考慮，其本質為摩擦運動的機械功轉化為熱能的過程；從耦合場分析角度考慮，屬雙向熱-結構耦合。

不論是轉動或是滑動摩擦生熱問題，其本質都是一種熱-結構耦合接觸非線性分析。計算時采用ANSYS Workbench軟件中的Transient Structural（瞬態結構動力學）模塊完成焊接溫度場的分析。目前ANSYS Workbench分析平臺并不直接支持摩擦生熱問題的計算，這里使用APDL命令流的方法解決耦合場單元的設置問題。

首先在三維設計軟件中建好焊件的三維模型并完成焊接母材模型的裝配，選取焊縫兩側各12 mm的母材作為有限元分析時的模型。在材料屬性模塊手動添加材料密度、彈性模量、泊松比、導熱系數和比熱容等必要的材料屬性后導入分析模型。

對于摩擦生熱問題的求解方式，必須激活帶有溫度自由度的單元，同時必須使用帶有4個自由度的熱-結構耦合單元，即摩擦生熱運用直接耦合法求解。采用插入命令流的方式調用SOLID226單元并定義熱轉換效率。調用單元時編寫的命令流為：

ET,MATID,226,11

MP,QRATE,matid,0.80

在摩擦分析過程中，兩模型間存在接觸，將分析中兩實體接觸面接觸類型選定為“摩擦接觸”，定義摩擦系數及剛度系數。在結構場單元自由度的基礎上，激活目標單元與接觸單元的熱自由度，激活時編寫的主要命令流為：

keyopt,cid,1,1

keyopt,tid,1,1

RMODIF,cid,15,1

RMODIF,tid,15,1

RMODIF,cid,18,0.5

RMODIF,tid,18,0.5

設置熱接觸導熱系數的主要命令流為：

RMODIF,cid,14,2e6

RMODIF,tid,14,2e6

根據連續驅動摩擦焊接的特點，在轉速的施加上與靜力學分析中有所不同，對于旋轉摩擦生熱問題焊件的旋轉自由度主要是通過定義轉動副（joint）實現的，本例中研究對象為兩空心管件的摩擦焊接，如圖1中的焊件1和焊件2。在轉動副定義過程中為了方便外載的施加，根據運動的相對性選擇將焊件2作為固定件，將焊件1作為旋轉件并能夠實現相對于焊件2的下壓動作。因此選擇焊件1的內孔釋放其沿z向的移動自由度與轉動自由度，將其模擬為夾持在焊機主軸夾盤中的旋轉件，為了方便外載的施加根據運動的相對性將常規摩擦焊接中移動端焊件的移動簡化至旋轉端焊件上，即實現旋轉端焊件在高速轉動的同時也能完成相對于固定件的移動動作；選擇將焊件2作為固定件并將其內孔約束全部結構自由度。

設置好相應接觸對后，利用Mesh模塊下的網格工具對簡化后的有限元模型進行網格劃分。為能夠成功實現SOLID226耦合場單元的調用，在網格劃分過程中就必須全部使用低階六面體單元進行有限元模型網格的劃分，本例中選用的網格劃分方式為掃略網格劃分，設置掃略數值為15，定義網格尺寸為0.75 mm。經檢驗模型平均網格質量為0.915，扭曲度為0.174，網格劃分質量較好滿足非線性問題的求解要求，經網格劃分后得到的有限元模型圖，如圖2所示。

圖1 轉動副設置

圖2 焊件有限元模型

2 壓力加載方式

當設置完材料參數、完成轉動副設置與網格劃分之后，對焊件邊界條件及外載進行設定，由于摩擦焊接參數在選定時較為寬泛，因此在研究前進行了工藝參數組合的探索研究，通常工藝參數中的轉速設置過低時容易發生“悶車”現象。若選用的摩擦壓力過小則會導致摩擦加熱功率不夠，摩擦界面難以達到合適的焊接溫度，同樣不能完成焊接。通過數值模擬技術就可以很好地計算出滿足焊接條件的焊接參數的大致取值范圍。

根據實際工況設定邊界條件及外載后，設置分析載荷步及步長。根據工藝參數的探索研究，最終焊接參數選定主軸轉速為1 500 r/min，摩擦壓力為90 MPa，摩擦時間為3.5 s進行壓力加載方式下的焊接研究。在瞬態分析的各載荷步下插入命令流用以完成焊接溫度場的熱-固耦合計算，編寫的命令流如下：

/solu

allsel

sf,ww,conv,50,22

TUNIF,22,

TREF,22,

trnopt,full

TIMINT,0,STRUCT

TIMINT,1,THERM

在尋求德福的同一性方面，佛教最獨特的貢獻在于:通過善惡業報規律來保證二者的完全一致。此規律的客觀效力在于使善業與樂報、惡業與苦報達到完全一致，由此德福同一性的圓滿實現不以有情眾生的今生今世為限度，而以此規律將自身的必然性力量完全釋放為終極前提;而且善惡業報規律包含著嚴格的獎懲效力，有情眾生若行善便可以進入善道，繼而超出六道輪回而升入極樂世界，成菩薩成佛，若作惡就墮入惡道，成鬼成畜生，遭受各種苦痛折磨。所以，佛教以善惡業報規律、超人生超人身的“主體”、輪回流轉的獎懲機制為理論核心，開創性地思考、解釋并從學理上解決了德福的同一性難題。

TINTP,0.005,,,1,0.5,0,

計算經6 868次迭代后收斂，求解完成后焊件縱剖面溫度結果如圖3所示。從溫度結果云圖可以看出，焊接完成后焊接溫度沿著焊接的摩擦面呈對稱分布，其中靠近軸心位置溫度高于外緣溫度，最高溫度達到1 145.5 ℃并具有一定的塑化層深度，能夠滿足焊接要求。溫度隨時間變化曲線，如圖4所示。由曲線可知，溫度在摩擦初始的1.5 s內溫度上升比較迅速，隨著摩擦時間的延長，達到峰值 1 100 ℃左右后溫度基本維持穩定。

圖3 溫度分布結果云圖

圖4 溫度隨時間變化的曲線

3 壓力及位移加載方式

在壓力及位移加載方式研究上，選定焊接參數為主軸轉速1 800 r/min，摩擦壓力為1 MPa，摩擦位移為1 mm，摩擦時間為1 s進行壓力-位移組合加載方式下的焊接研究。焊件縱剖面溫度結果如圖5所示。從溫度求解的結果云圖可以看出，焊接完成后焊接溫度沿著焊接的摩擦面同樣呈對稱分布狀態，靠近軸心位置溫度高于外緣溫度，最高溫度達到1 096.8 ℃并具有一定的塑化層深度，能夠滿足焊接要求。溫度隨時間變化曲線，如圖6所示。由曲線可知，在軸向位移及摩擦壓力作用下溫度在摩擦初始的0.3~0.7 s內迅速升高并達到焊合溫度要求，隨著摩擦時間的延長，焊接溫度達到峰值1 100 ℃左右。

圖5 溫度分布結果云圖

圖6 溫度隨時間變化的曲線

通過對2種不同的焊接加載方式進行比較可以得出，第二種加載方式相比于第一種加載方式達到滿足焊件塑性變形溫度的所需的時間更短，相對摩擦焊機而言更加節能，在焊接相同直徑焊件時對焊機液壓缸的輸出壓力要求不高。

4 軸向縮短量研究

由于摩擦生熱分析具有較高的非線性，因此為了保證計算能夠具有較高的收斂性，在前面的瞬態動力學模塊計算溫度場的過程中忽略了初始摩擦及穩定摩擦過程中對軸向縮短量的影響。為了得到焊件焊接結束時在頂鍛壓力作用下產品軸向縮短量的數值大小并簡化求解過程，以壓力-位移加載方式為例選擇在結構靜力學模塊進行求解。將前面計算得到的焊件的各節點及單元的溫度計算結果進行提取，在穩態熱求解模塊重新導入原分析的有限元模型，并采用與原分析模型相同的網格劃分方法進行新模型的網格劃分，并保證兩次網格劃分后的有限元模型網格的單元號與節點號能夠一一對應，而后在靜力學模塊中求解焊件的軸向縮短量。

在焊件頂鍛加工過程中，通常頂鍛壓力為摩擦壓力的2～3倍，在前面研究中摩擦壓力取值為1 MPa，因此在頂鍛加工階段取2 MPa，施加位置主要為焊件1的上端面上，方向指向焊件2。對焊件2下端面施加固定約束。經求解后求得的結果云圖，如圖7所示。觀察計算結果云圖可以看出，軸向最大位移量為5.4 mm，擠出得的飛邊沿摩擦面對稱分布，由于靠近軸心的內側部分具有較高的溫度且有較深的塑性層深度，因此焊件內側飛邊較大。

圖7 頂鍛階段軸向縮短量計算結果云圖

5 摩擦焊接數值模擬中幾點關鍵性技術討論

5.1 影響計算結果準確性的幾點因素

(2)材料應為變物性參數。根據人研究過程及研究結果，并且結合自身的研究對比后發現：在材料的相關熱物性參數中比熱容以及熱傳導系數受溫度影響較大。因此在進行數值模擬時應該考慮比熱容和熱傳導系數隨溫度變化的相關性。

(3)接觸設置。在摩擦焊接分析過程中，兩焊接母材間存在摩擦接觸，在計算過程中就需要定義摩擦系數及剛度系數。根據摩擦生熱的基本原理并經過反復校驗后發現摩擦系數取值的大小是影響計算結果準確性與否的另一根本因素，根據查閱相關文獻及書籍后發現：對于壓力加載方式其摩擦系數取值為0.2或按摩擦系數隨溫度變化取值是較為合理的；相對于位移及壓力加載方式當摩擦系數取值為0.2時，經計算后計算結果在11 000℃附近，這一計算結果顯然是明顯偏離工程實際以及自然界的客觀規律的，通過反復探索與比較后發現當摩擦系數取值為3.7×10-3時，計算結果為1 422.2℃；當摩擦系數取值為3×10-3時，計算結果為1 096.8 ℃；當摩擦系數取值為2.5×10-3時，計算結果為811.72 ℃；可以看出摩擦系數取值對于計算結果的準確性具有直接影響。

5.2 影響計算結果收斂性的幾點因素

（1）網格劃分的質量對于計算收斂性的影響。對于非線性問題分析，網格劃分質量的好壞是求解過程中能否收斂的重要一環。由于摩擦焊接焊屬于具有較高非線性問題的分析，在外載施加上給予了較大壓力及較高轉速，在計算過程中極易出現網格畸從而變導致求解過程不收斂現象的發生。因此網格劃分質量相較于前面的靜力學分析中網格劃分質量的評定標準還要苛刻，至少應保證劃分網格后的平均網格質量在0.90以上。同時，為了成功實現SOLID226耦合場單元的調用，就必須全部使用低階6面體單元進行網格的劃分。

（2）求解過程中載荷步的設置。相對摩擦焊接求解，因其在具有非常高的轉速的工況下并伴有一定量的下壓位移，因此這類非線性問題想要得到收斂解是具有較高難度的。為了能夠合理且有效的解決這一技術問題，在載荷步及子步控制上就需要采取一定的措施。載荷步設置上在轉速加載之前，選擇將焊件1相對于焊件2預先添加一個下壓過程，這樣則更有利于求解過程的收斂。

求解時子步數量越大，載荷加載越平緩，計算越容易收斂。為了便于擴大收斂域，最大子步設置范圍可以取1×107以上。但是過多的子步數會增加求解時間且占據一定磁盤空間，對計算機硬件的存儲容量具有較高要求。

5.3 工程實踐性討論

（1）計算結果的讀取。相對于熱-結構耦合的計算，想要直接求得溫度場計算結果是比較困難的，因此就需要對計算結果進行篩選來得到溫度值。在Workbench中得到溫度結果主要是采用自定義結果的辦法通過選擇相應實體厚通過定義計算結果輸出方式為溫度來篩選出溫度結果。

（2）求解過程中命令流的合理使用。采用直接耦合法求解摩擦生熱問題，若采用經典模塊或是完全編寫命令流的方式進行求解，其過程是極其復雜的。而采用Workbench進行這一問題的求解一大關鍵性技術在于需合理插入命令流來進行計算。近年來隨著有限元技術的不斷發展，ANSYS內部算法的不斷優化，對于摩擦生熱類問題的求解過程在未來的發展中將具有更好的交互性與便捷性，相對于工程實踐更具有積極意義。

6 結論

（1）通過對兩種不同的焊接加載方式進行比較可以得出，壓力-位移加載方式相比于壓力加載方式達到滿足焊件塑性變形溫度的所需的時間更短，相對應摩擦焊機更加節能，在焊接相同直徑焊件時對焊機液壓缸的輸出壓力要求不高。

（2）為了提高溫度場計算的收斂性，在探究焊接結束時焊件軸向縮短量的研究中，將計算得到的焊件各節點及單元的溫度結果進行提取，在穩態熱求解模塊重新導入原分析的有限元模型，并在結構靜力學模塊進行軸向縮短量的求解的方法可有效簡化計算。

（3）在數值模擬過程中能否根據實際工況進行加載以及合理選取摩擦系數對計算結果準確性有重要影響；有限元模型網格劃分質量、載荷步及子步的設置是非線性問題能否得到收斂解的關鍵。

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Comparative Study of Friction Welding Process Parameters under Different Load Modes

LI Wei-min1, ZHAO Xu-dong1, LI Yan2

（1. College of Mechanical Engineering and Automation, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China; Department of Mechanical and Electronic Engineering, Jinzhou Normal college, Jinzhou 121001, China ）

Based on the principle of continuous drive friction welding, a simplified model of two hollow shafts for finite element analysis is established. In addition, the direct coupling method and the method of inserting command flow are used to solve the highly nonlinear problem of frictional heat generation. According to the actual working conditions, the two different loading welding methods of pressure welding and displacement-pressure loading are compared in the study. The results show that the displacement-pressure loading method generates heat more quickly than the pressure-loading method, and the application of the displacement-pressure loading method to complete welding is more energy-efficient than the corresponding friction welding machine. Then, Numerical simulation of axial shortening in welding was carried out. Finally, some key technologies in the numerical simulation of friction welding are summarized and discussed.

continuous drive friction welding;finite element analysis;nonlinear analysis;frictional thermal analysis

TH164

A

1674-3261(2021)01-0023-05

10.15916/j.issn1674-3261.2021.01.006

2020-05-21

遼寧省教育廳科學技術研究項目（CYYJY-201802）

李衛民(1965-)，男，遼寧朝陽人，教授，博士。

責任編校：劉亞兵